具有優(yōu)異的電絕緣、高導(dǎo)熱性能的聚合物復(fù)合材料

來源 | Composites Science and Technology

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背景介紹

熱管理在現(xiàn)代工業(yè)和技術(shù)中發(fā)揮著越來越重要的作用，導(dǎo)熱材料已成為眾多電子產(chǎn)品和大型設(shè)備(包括能源設(shè)備、航天飛行器等)不可或缺的一部分。大多數(shù)金屬和陶瓷一般都是理想的導(dǎo)熱體，這可以分別歸因于電子熱傳導(dǎo)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(jī)盤繞的共價分子鏈會產(chǎn)生強(qiáng)烈的聲子散射，由此產(chǎn)生的低導(dǎo)熱系數(shù)極大地限制了其在散熱中的應(yīng)用。

通過提高分子鏈的結(jié)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(yōu)異的導(dǎo)熱系數(shù)。這為輕質(zhì)、可加工和絕緣導(dǎo)熱材料開辟了兩個新思路。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)以其優(yōu)異的力學(xué)性能、低密度、良好的耐化學(xué)性、高耐磨性等特點(diǎn)而備受關(guān)注。最近的研究已經(jīng)擴(kuò)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(dǎo)熱系數(shù)和優(yōu)良的絕緣性能，非常適合在電絕緣領(lǐng)域發(fā)展為導(dǎo)熱材料。目前，絕緣導(dǎo)熱材料主要是填充導(dǎo)熱填料，然而在高填充量下面臨導(dǎo)熱系數(shù)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(fā)全聚合物復(fù)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(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行研究，導(dǎo)熱系數(shù)大于10 W/mK的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料更是罕見。

02

成果掠影

近期，北京大學(xué)白樹林教授在開發(fā)具有高導(dǎo)熱和電絕緣性能的聚合物復(fù)合材料取得新成果。

針對開發(fā)具有優(yōu)異機(jī)械性能、電絕緣、高導(dǎo)熱的全聚合物復(fù)合材料，通過熱壓法制備了種具有（0°/90°、±45°）兩種取向結(jié)構(gòu)的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。發(fā)現(xiàn)±45°復(fù)合材料的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)約為0/90°復(fù)合材料的1.3~1.4倍，并通過有限元模擬和模型計(jì)算驗(yàn)證了相應(yīng)的機(jī)理。

UHMWPE纖維形成的導(dǎo)熱通道使0/90°和±45°復(fù)合材料的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)分別為9.94和13.61 W/mK。通過在纖維表面沉積聚多巴胺(PDA)和枝接聚醚胺(PEA)，改善了纖維/環(huán)氧樹脂界面的層間剪切強(qiáng)度(ILSS)和剪切模量分別提高了40.7%和52.3%。同時，實(shí)現(xiàn)了更高的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)，高達(dá)15.76 W/mK。這項(xiàng)工作揭示了超高分子量聚乙烯纖維在散熱方面的巨大潛力，并為電子產(chǎn)品熱管理的提供了強(qiáng)有力的候選材料。

研究成果以“Lightweight, electrical insulating, and high thermally conductive all-polymer composites with reinforced interfaces”為題發(fā)表于《Composites Science and Technology》。

03

圖文導(dǎo)讀

圖1.材料的制備流程示意圖。

圖2.UHMWPE的表面形貌和結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3.超高分子量聚乙烯/環(huán)氧復(fù)合材料的截面SEM圖。

圖4.復(fù)合材料的機(jī)械性能。

圖5.復(fù)合材料的熱導(dǎo)率、傳熱機(jī)理以及與不同文獻(xiàn)熱導(dǎo)率的對比。

圖6.材料的有限元模型和穩(wěn)態(tài)面內(nèi)熱傳導(dǎo)示意圖。

圖7.復(fù)合材料在實(shí)際應(yīng)用中的熱管理性能。

END

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審核編輯黃宇