填充型復合材料導熱性能的案例
具有優異的電絕緣、高導熱性能的聚合物復合材料
來源 | Composites Science and Technology
01
背景介紹
熱管理在現代工業和技術中發揮著越來越重要的作用，導熱材料已成為眾多電子產品和大型設備(包括能源設備、航天飛行器等)不可或缺的一部分。大多數金屬和陶瓷一般都是理想的導熱體，這可以分別歸因于電子熱傳導和相對完美的晶格振動。聚合物良好的可加工性和電絕緣性能使其在熱管理中不可或缺，但其隨機盤繞的共價分子鏈會產生強烈的聲子散射，由此產生的低導熱系數極大地限制了其在散熱中的應用。
通過提高分子鏈的結晶度和有序度，聚乙烯纖維、聚乙烯薄膜、聚乙烯氧化物纖維和聚苯并二惡唑纖維獲得了優異的導熱系數。這為輕質、可加工和絕緣導熱材料開辟了兩個新思路。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)以其優異的力學性能、低密度、良好的耐化學性、高耐磨性等特點而備受關注。最近的研究已經擴大了在熱管理中使用聚乙烯的可能性。
超高分子量聚乙烯纖維具有較高的導熱系數和優良的絕緣性能，非常適合在電絕緣領域發展為導熱材料。目前，絕緣導熱材料主要是填充導熱填料，然而在高填充量下面臨導熱系數惡化、密度高、可加工性差等棘手問題。利用超高分子量聚乙烯纖維開發全聚合物復合材料有望解決上述問題。但目前很少有研究對超高分子量聚乙烯纖維復合材料的導熱系數進行研究，導熱系數大于10 W/mK的超高分子量聚乙烯復合材料更是罕見。
02
成果掠影
近期，北京大學白樹林教授在開發具有高導熱和電絕緣性能的聚合物復合材料取得新成果。
針對開發具有優異機械性能、電絕緣、高導熱的全聚合物復合材料，通過熱壓法制備了種具有（0°/90°、±45°）兩種取向結構的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維/環氧樹脂復合材料。
展開 研究 \\ 氮化硼高度垂直排列取向的橡膠基高性能導熱復合材料
由于動態交聯BR的重排機制及其優異的可再加工性，成功完成了后續的焊接工藝，制備出高垂直排列的BN/BR復合材料（VAC）。實驗結果表明通過掃描電鏡和小角度X射線驗證了所設計的VAC具有強取向的微觀結構。結果，當BN含量為52 vol %時，VAC達到了前所未有的面外導熱系數(14.1 W/mK)，并且與商業TIM相比，芯片運行溫度大大降低。除了優異的導熱性外，BN/BR復合材料還具有優異的電絕緣性和阻燃性。該仿生復合材料的簡單制備和可擴展性為高性能復合材料的設計和制備開辟了新的道路。研究成果以“Vitrimer-Assisted Construction of Boron Nitride Vertically Aligned Nacre-mimetic Composites for Highly Thermally Conductive Thermal Interface Materials ”為題發表于《Chemistry of Materials》。
03
圖文導讀
圖1.(a)天然貝殼珠層的微觀結構，(b)模擬珍珠微結構VAC的制造示意圖。
圖2.VAC的微觀結構及內部的BN取向度測試。
圖3.VAC材料的XRD結構示意圖以及不同含量下取向的情況和實物形變照片。
圖4.復合材料的焊接示意圖以及焊縫照片和取向因子的計算。
圖5.VAC的導熱性能測試。
展開 基于超彈性雙連續網絡靈活調控復合材料導熱性能
導熱高分子復合材料因其良好的綜合特性，而在能源化工、通訊衛星、高速飛行器及人工智能等領域的熱控系統發揮重要作用。近年來，國內外研究人員通過模板法、自組裝法、化學氣相沉積等方法預制三維連續導熱網絡，結合高分子基體的浸漬和固化制備了一系列高導熱高分子復合材料。這些研究豐富了三維連續導熱網絡結構體系，推動了導熱高分子復合材料的快速發展。
研究表明，一方面，導熱網絡的構建能夠促進聲子在整個網絡的高效傳遞、提升復合材料的導熱性能；另一方面，聲子作為熱流的載體，其傳遞路徑的密度和分布也是決定導熱網絡熱流傳輸能力的關鍵，進而深刻影響復合材料的三維導熱性能。因此，發展新型高導熱高分子復合材料，不僅需要搭建導熱網絡，更重要的是要研究和實現對三維連續導熱網絡的精準、可控調節，進而可控調節和改善復合材料的三維導熱性能。
近日，天津理工大學陳莉教授團隊與天津大學封偉教授團隊合作，通過石墨烯在密胺網絡的組裝構建了超彈性石墨烯@密胺雙連續三維網絡，結合高分子基體的浸漬與固化制備高導熱復合材料。在固化過程中，借助三維壓縮模具，通過控制雙連續網絡的壓縮率和壓縮維度對石墨烯導熱網絡的取向度和質量含量進行精準控制。對于單向壓縮復合材料，當壓縮率大于70%時，復合材料的水平導熱系數迅速提高，當壓縮率為95%時，復合材料中石墨烯的含量達到2.6 wt%，復合材料的水平導熱系數達到1.68 W/mK，是未壓縮樣品導熱系數（0.175 W/mK）的近10倍。對于三向壓縮復合材料，復合材料導熱系數呈現各向同性，當三向壓縮率為70%時，復合材料中石墨烯的含量為4.82 wt%，復合材料的導熱系數達到2.19 W/mK。
展開 研究 \\ 一種具有優異電磁屏蔽和導熱性能的PEEK復合材料
來源 | Composites Part A: Applied Science and Manufacturing
01
背景介紹
由于5G在電子、能源、航空航天等行業的廣泛和智能化發展，對具有高功率密度和集成度的功能化高性能聚合物基復合材料的需求很大。例如，電子封裝和能源設備必須有效地散熱，以確保所需的安全系數和壽命，在某些情況下，需要有效的散熱和保護設備免受電磁干擾。
聚醚醚酮PEEK具有優異的熱穩定性、重量輕、優異的機械性能和良好的耐化學性，在航空航天、軍事和機械等復雜應用中得到廣泛應用。然而，PEEK分子鏈的無序簡諧振動與低速聲子擴散導致低導熱系數限制了改材料的應用。此外，由于其剛性分子結構導致的較差的溶解性和界面相容性給PEEK復合材料的導熱系數增強帶來了挑戰。
界面結合強度低，填料團聚，使得常規混合物理復合材料難以達到預期的熱傳導效果。然而，一些復雜的合成過程不可避免地涉及到填料的部分結構損傷，從而導致導熱系數的減小。因此，填料的無損改性被認為是一種有效的方法。其中靜電紡絲和冷凍干燥是有效的填料排列技術。而且填料的大長寬比可以在外場作用下大幅度提高面內或面外導熱系數，制備出PEEK復合材料具有優異的導熱系數是非常具有挑戰性。
02
成果掠影
近期，吉林大學牟建新教授團隊在開發高導熱工程塑料方面取得新進展。受三維導熱網絡的啟發，將兩種具有定向填料的復合材料組合在一起，形成三維傳輸網絡的三明治結構。氨基-石墨烯(NH2-GnPs)與聚苯并惡嗪(PBZ)共價鍵能降低界面熱阻(ITR)。
展開 
POSTECH團隊開發出碲硒復合氧化物半導體材料，成功實現高性能高穩定性的p型薄膜TFT
CINNO Research產業資訊，POSTECH(浦項工業大學)化學工業專業盧勇英教授、Liu Ao博士、Zhu Huihui博士(均為浦項工業大學博士后研究員)研究團隊，以及韓國標準科學研究院金勇成博士，通過與浦項加速器研究所金敏奎博士的聯合研究，研發出碲硒(Tellurium-Selenium)復合氧化物半導體材料，成功實現了高性能、高穩定性p型薄膜晶體管(以下簡稱TFT)。
這項研究于當地時間10日刊登在科學領域世界頂尖學術期刊《Nature(自然)》線上版上。
人們日常使用的各類電子設備中，無論是手機、電腦還是汽車，半導體都是不可或缺的核心部件。半導體主要可以分為晶質(crystalline)和非晶質(amorphous)半導體兩大類。晶質半導體擁有原子或分子規律排列的結構，而非晶質半導體則不具備這一特性。
盡管非晶質半導體在制作工藝和成本方面擁有顯著優勢，但與晶質半導體相比，其電性能卻有所降低。尤其是在p型非晶態半導體的研究上，進展相對緩慢。
N型非晶質半導體基于鎵鋅氧化物(以下簡稱IGZO)，廣泛應用于OLED顯示領域和存儲器領域，但p型材料還有很多內在缺陷，因此造成電子設備和集成電路的核心—n-p型互補雙極性半導體(CMOS4))發展受阻。
學術界已長達二十年未能取得突破，因此，開發高性能的非晶性p型半導體元件一度被視為幾乎無法攻克的難題。然而，面對這一挑戰，POSTECH的盧勇英教授研究團隊卻迎難而上，成功將這一“不可能”轉變為“可能”。
在此次研究中，研究團隊深入探討了缺氧環境下稀土金屬鎵氧化物電荷量升高的現象。他們發現，在特定缺氧條件下，這種物質能夠形成接受電子的受主能級(acceptor level)，進而可作為p型半導體運作。
展開 氧化鋁在導熱絕緣高分子復合材料中的應用
需要開發導熱絕緣高分子復合材料替代傳統高分子材料，作為熱界面和封裝材料，迅速將發熱元件熱量傳遞給散熱設備，保障電子設備正常運行。
1.填料的導熱機理
高分子材料本身的熱傳導系數比較小 ，所以填充型高分子復合材料導熱性能主要依賴于填充物的導熱系數，填充物在基體中的分布以及與基體的相互作用。填料用量較小時，填料雖均勻分散于樹脂中，但彼此間未能形成相互接觸和相互作用，導熱性提高不大；填料用量提高到某一臨界值時，填料間形成接觸和相互作用，體系內形成了類似網狀或鏈狀結構形態，即形成導熱網鏈。當導熱網鏈的取向與熱流方向一致時，材料導熱性能提高很快；體系中在熱流方向上未形成導熱網鏈時，會造成熱流方向上熱阻很大，導致材料導熱性能很差。
制造具有優良綜合性能的導熱材料一般有兩種途徑：一種是合成具有高熱導率的結構聚合物；另一種是在聚合物中填充高導熱性的填料。后者比較常見。一般都是用高導熱性的金屬或無機填料對高分子材料進行填充。氧化鋁（VK-L04R,VK-L600D）通常作
為填料應用于絕緣導熱高分子復合材料。
2 氧化鋁的形態及表面處理
2.1 氧化鋁（VK-L04R,VK-L600D）作為導熱絕緣材料的特點
具有導熱電絕緣性能的填料很少。常見的幾種及其熱導率分別見表1。實驗研究證明，當填料與基體熱導率之比大于100時。提高填料導熱系數已意義不大。這 就意味著應用電絕緣填料如Al2O3，MgO、BeO、AlN等可制備具有較高導熱性能的電絕緣復合材料.與其他填料相比Al2O3（VK-L04R,VK-L600D）的導熱率不高，但是其價格較低，來源較廣，填充量較大，常用作絕緣導熱聚合物的填料。Al2O3通常單獨使用或與其他填料混合使用。
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