MSER:聚合物基三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)熱復(fù)合材料
伴隨著5G、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、國家重大戰(zhàn)略需求等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展,電子器件正朝著高功率、高集成化和便攜式的方向發(fā)展,這亟需高效、輕質(zhì)和高穩(wěn)定性的熱管理材料和方案來保證電子產(chǎn)品的效率、可靠性、安全性、耐用性和持續(xù)穩(wěn)定性。如何大幅提高導(dǎo)熱材料的熱導(dǎo)率一直是熱管理材料行業(yè)的技術(shù)痛點,也是促進消費電子、5G設(shè)備、高功率芯片、集成電路、電池等突破功率限制的關(guān)鍵。由于傳統(tǒng)導(dǎo)熱材料如金屬、無機導(dǎo)熱材料存在質(zhì)量大、柔性差等缺點,導(dǎo)熱聚合物的應(yīng)用正在不斷向高導(dǎo)熱材料領(lǐng)域滲透。聚合物導(dǎo)熱材料在成本、可加工性、柔韌性及穩(wěn)定性等方面更有優(yōu)勢。但絕大多數(shù)的聚合物自身的導(dǎo)熱性很差(一般導(dǎo)熱系數(shù)為0.2 ~ 0.5 W/mK),無法滿足高導(dǎo)熱的需求,開發(fā)高導(dǎo)熱的聚合物復(fù)合材料已經(jīng)成為該領(lǐng)域的一個研究熱點。采用復(fù)合高導(dǎo)熱填料(如石墨烯、碳納米管、氮化硼、金屬氧化物等)是一種簡單而高效的方式來提高聚合物基體的熱導(dǎo)率,目前在工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)有的大量研究表明,在聚合物材料內(nèi)部構(gòu)建導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)可以在低添加量的條件下實現(xiàn)熱導(dǎo)率的大幅度提高,這種三維滲流網(wǎng)絡(luò)(如圖1所示)可以為聲子的快速傳遞提供通道,從而加速熱量沿著三維網(wǎng)絡(luò)進行傳遞。 封偉團隊在綜述中重點介紹了不同三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建及在制備聚合物導(dǎo)熱復(fù)合材料方面的最新進展,如石墨烯三維網(wǎng)絡(luò)、碳納米管網(wǎng)絡(luò)、氮化硼網(wǎng)絡(luò)、金屬三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)等。討論了不同導(dǎo)熱材料三維網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法、結(jié)構(gòu)取向調(diào)控方法及影響導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵因素(取向性、界面連接性、網(wǎng)絡(luò)密度等)。同時,比較了不同的填料形式(分散顆粒填料與三維連續(xù)填料網(wǎng)絡(luò))對復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響。相比于共混法制備的導(dǎo)熱復(fù)合材料,基于三維填料網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合材料在填充比、分散性、取向控制及熱導(dǎo)率提升率上都具有明顯的優(yōu)勢。毫無疑問,三維連續(xù)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成對于提升聚合物熱導(dǎo)率至關(guān)重要。可以預(yù)見,三維導(dǎo)熱填料網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計將作為一種實現(xiàn)聚合物高導(dǎo)熱率的重要手段,成為新一代熱管理系統(tǒng)的研究熱點。 極端環(huán)境熱管理系統(tǒng)在能源化工、通訊衛(wèi)星、高速飛行器及人工智能等領(lǐng)域都發(fā)揮重要作用。導(dǎo)熱復(fù)合材料作為熱管理系統(tǒng)的關(guān)鍵材料,直接影響著其在不同環(huán)境內(nèi)的熱傳導(dǎo)方向和效率。近年來,天津大學(xué)封偉教授團隊以高導(dǎo)熱碳復(fù)合材料為研究基礎(chǔ),針對其存在的導(dǎo)熱各向異性、易損傷、壓縮回彈性差以及與高彈性難以兼顧的問題,提出了通過微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計、界面優(yōu)化、分子級相互作用優(yōu)化,分別實現(xiàn)復(fù)合材料的定向高導(dǎo)熱、彈性高導(dǎo)熱及自修復(fù)高導(dǎo)熱,探索其在復(fù)雜界面和極端環(huán)境熱傳導(dǎo)領(lǐng)域的應(yīng)用。
天津大學(xué)
2021-02-01