高性能導(dǎo)熱復(fù)合材料研究獲系列進(jìn)展

近期，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所先進(jìn)材料中心研究員孫蓉團(tuán)隊(duì)在高性能導(dǎo)熱復(fù)合材料研究中取得一系列進(jìn)展。

現(xiàn)代電子器件逐漸向高度集成化和高功率化發(fā)展，如果器件內(nèi)部產(chǎn)生的熱量得不到有效地散發(fā)，將會(huì)引起熱失效。為了保證電器器件的工作表現(xiàn)和壽命，有效的散熱成為了制約電子產(chǎn)品發(fā)展的主要因素。解決散熱問題依賴于熱管理材料的發(fā)展。導(dǎo)熱材料通常由導(dǎo)熱填料和聚合物基體組成，溶液共混是制備含有隨機(jī)分布填料的復(fù)合材料的常用方法。然而，由于內(nèi)部填料之間缺少有效互連，這種復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能提高率通常很低。缺少填料組成的導(dǎo)熱通路意味著聲子將在填料/基體的界面處發(fā)生更多的散熱，帶來更大的界面熱阻。另一方面，加入大量的填料（>60wt%/vol%）雖然會(huì)得到較為理想的導(dǎo)熱性能，但是卻會(huì)嚴(yán)重影響復(fù)合材料的機(jī)械性能和加工性，難以實(shí)用。因此，對于導(dǎo)熱復(fù)合材料，如何在一個(gè)較低的填料含量下實(shí)現(xiàn)高的導(dǎo)熱系數(shù)仍是一大挑戰(zhàn)。

團(tuán)隊(duì)導(dǎo)熱小組么依民、曾小亮等通過對填料進(jìn)行取向的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合碳化硅納米線的高導(dǎo)熱系數(shù)和長徑比，采用冰模板法制備了宏觀取向的碳化硅線網(wǎng)絡(luò)，并以此為填料制備了高導(dǎo)熱復(fù)合材料。對于聲子來說，穿過聚合物最便捷的方式是在聚合物內(nèi)部建立填料組成的通道。因此，含有高導(dǎo)熱線狀填料的聚合物復(fù)合材料會(huì)顯示出導(dǎo)熱性能的巨大提高。該復(fù)合材料的導(dǎo)熱提高效率是其他報(bào)道的導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料效率的3~8倍，內(nèi)部具有三維互連填料網(wǎng)絡(luò)的高導(dǎo)熱復(fù)合材料在熱管理領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。

圖1.三維碳化硅線網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)熱原理示意圖

該小組在三維氮化硼-石墨烯導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方面也取得了研究進(jìn)展。前期的研究者為了使得三維填料骨架有一定的機(jī)械強(qiáng)度，在三維骨架的制備過程中通常要加入粘結(jié)劑。然而，粘結(jié)劑與填料之間的聲子譜不匹配會(huì)弱化填料骨架本身的傳熱，因此含有三維填料骨架的聚合物基復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能往往也不理想。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)以與聲子傳輸性質(zhì)相近的氮化硼和石墨烯為組裝單元，構(gòu)建了取向的聲子導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。復(fù)合材料的面外導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到了5.05 Wm-1K-1，高于其他報(bào)道的氮化硼基復(fù)合材料的導(dǎo)熱數(shù)值。

圖2.三維氮化硼-石墨烯網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)熱原理示意圖

該小組還提出了一種新穎的材料成型方法。受限于成本與生產(chǎn)設(shè)備等因素，真空輔助抽濾技術(shù)和冰模板法自組裝技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，無法為我國電子材料產(chǎn)業(yè)做出貢獻(xiàn)。因此，曾小亮課題組探索并發(fā)明了一種簡易、快速以及宏量制備導(dǎo)熱填料的方法。通過將含有填料的水系分散液直接滴入液氮、結(jié)合冷凍干燥以及簡易的自動(dòng)推進(jìn)裝置，可以成功構(gòu)筑三維的氣凝膠球狀填料。這種球狀填料具有大的孔隙率和比表面積，直接參與到導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建當(dāng)中，可以有效地提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，在自動(dòng)推進(jìn)裝置的輔助下可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小批量生產(chǎn)。此外，這種特殊的微觀結(jié)構(gòu)在吸附及能源領(lǐng)域也表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

圖3.三維氣凝膠球的制備原理示意圖

這一系列工作的進(jìn)展都是圍繞著“結(jié)構(gòu)—性能”進(jìn)行的，材料研究中解釋清楚結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系比單純地獲得高性能更難。知其然還要知其所以然，知道了結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，再把各種結(jié)構(gòu)的制造成型方法研究出來，那這些成果就很有可能成功商業(yè)化應(yīng)用，形成新的產(chǎn)品甚至產(chǎn)業(yè)。期待結(jié)果早日商業(yè)化生產(chǎn)！

以上研究得到科技部重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)（2017YFB0406000）、廣東省創(chuàng)新科研團(tuán)隊(duì)（2011D052）、廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（2014B030301014）和深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目等的資助。工作結(jié)果發(fā)表文獻(xiàn)：Vertically Aligned and Interconnected SiC Nanowire Networks Leading to Significantly Enhanced Thermal Conductivity of Polymer Composites（《具有面外取向碳化硅線網(wǎng)絡(luò)的高導(dǎo)熱復(fù)合材料》DOI: 10.1021/acsami.8b00328）。相關(guān)論文Construction of Three-dimensional Skeleton for Polymer Composites Achieving a High Thermal Conductivity（《構(gòu)建含有三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的高性能復(fù)合材料》DOI: 10.1002/smll.201704044）。相關(guān)論文Liquid nitrogen driven assembly of nanomaterials into spongy millispheres for various applications（《液氮驅(qū)動(dòng)制備多功能三維氣凝膠球》DOI:10.1039/C8TA00310F）。

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