導(dǎo)熱填料/導(dǎo)熱粉體空間分布對環(huán)氧復(fù)合材料導(dǎo)熱性的影響及機理探究

技術(shù)進步與市場需求促使電子元器件高度集成化、精密化，但隨之而來是發(fā)熱量增大問題，導(dǎo)致電子器件性能受影響。因此，開發(fā)高效熱管理復(fù)合材料，特別是高熱導(dǎo)率復(fù)合材料至關(guān)重要。然而，導(dǎo)熱填料/導(dǎo)熱粉體/導(dǎo)熱劑的復(fù)雜性不容忽視，其尺寸、形狀、組成、含量及空間分布狀態(tài)均對復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能產(chǎn)生重要影響，且這些因素間存在復(fù)雜的相互作用，使得從現(xiàn)有文獻中難以準(zhǔn)確計算與比較各因素導(dǎo)熱率的單獨貢獻，影響了高效導(dǎo)熱復(fù)合材料的構(gòu)建。

針對此難題，湖北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院近期開展了一項深入研究，系統(tǒng)分析了導(dǎo)熱填料不同空間分布狀態(tài)對復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的獨立影響，并成功構(gòu)建了導(dǎo)熱填料空間分布狀態(tài)與熱傳導(dǎo)之間的構(gòu)效關(guān)系模型。該研究以聚酰胺酸（PAA）為粘結(jié)劑，創(chuàng)新性地運用溶膠-凝膠與冷凍干燥技術(shù)，構(gòu)建了具有不同結(jié)構(gòu)的銀納米線（AgNWs）氣凝膠骨架，為復(fù)合材料的高熱導(dǎo)率實現(xiàn)奠定了堅實基礎(chǔ)。

在環(huán)氧樹脂（EP）復(fù)合材料中，研究團隊精心設(shè)計了三種AgNWs填料空間分布狀態(tài)：隨機分布、連續(xù)填料網(wǎng)絡(luò)及連續(xù)且取向的填料網(wǎng)絡(luò)。實驗結(jié)果顯示，當(dāng)AgNWs含量僅為1.07 vol%時，采用連續(xù)且取向填料網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合材料熱導(dǎo)率便可達1.23W/(m·K)，展現(xiàn)出卓越的導(dǎo)熱性能。

為進一步揭示其內(nèi)在機制，研究結(jié)合了實驗數(shù)據(jù)、理論模型與有限元分析，深入探討了連續(xù)度、體系熱阻、骨架熱導(dǎo)率及逾滲閾值等關(guān)鍵因素。分析表明，導(dǎo)熱填料/導(dǎo)熱粉體/導(dǎo)熱劑的取向狀態(tài)在提升復(fù)合材料熱導(dǎo)率方面較其網(wǎng)絡(luò)連續(xù)性具有更為顯著的作用。這一發(fā)現(xiàn)為制備低填充量、高導(dǎo)熱復(fù)合材料提供了理論支撐與實踐指導(dǎo)。

值得一提的是，研究成果以“Single effect of filler spatial distribution states on the thermal conductivity of epoxy composites and their heat conduction mechanisms”為題發(fā)布在Composites Communications，并得到了國家自然科學(xué)基金（51903040）、湖北省教育廳（Q20211001）和湖北省教育廳科學(xué)研究計劃的資助。