西工大顾军渭教授及SPFC课题组在导热高分子复合材料界面热障的重要研究成果

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 目录 

1. 本征高导热高分子的设计合成的研究

2. 新型异质结构填料的优化制备的研究

3. 导热填料的表面功能化改性的研究

4. 导热高分子复合材料的制备调控的研究

5. 导热高分子复合材料的热模型构建和导热机理的研究

 1. 本征高导热高分子的设计合成的研究 

在早期阶段，SFPC课题组通过溶液浇铸和热压制备了导热聚乙烯醇（PDLC）膜，其固有的微观有序结构高达1.41 W / mK（J Mater Sci Technol，2021，82：250）;通过硫醇-环氧亲核开环反应和涂膜工艺制备侧链型本征高导热自修复侧链型液晶环氧膜（LCEF），实现其高导热（λ⊥=0.33 W/mK，λ∥=1.52 W/mK）与自修复的协同效应; 从多尺度结构设计开始，通过环氧单体，固化剂的分子设计引入了有序结构，并通过优化交联网络拓扑结构来制备基于联苯液晶元的主链型本征高导热性环氧树脂（LCER，λ为0.51 W / mK，约为通用环氧树脂的3倍），突破了固有的导热聚合物基质制备和合成困难以及本体λ低的技术瓶颈问题。同时，公开了相关国家的1项发明专利，并申请了1项美国发明专利。

图1 侧链型本征高导热自修复侧链型液晶环氧膜（LCEF）示意图

 2. 新型异质结构填料的优化制备的研究  

SFPC课题组成功制备了MWCNT-Fe3O4 @ Ag，Ag / rGO，f-MWCNTs-g-rGO，SiC-BNNS，BNNS @ SiCnws、BNN-30 @ BNNS和其他新型异质结构导热填料，利用导热填料各自的结构和形态特征，更容易重叠以形成更多的导热路径，并有效避免引入更多界面热障和导热填料本身发生团聚现象，实现比单一或简单的混合导热填料更好的λ提升效果。

图2 BNN-30@BNNS异质结构填料/玻璃纤维布/环氧树脂层压导热复合材料制备及性能

 3. 导热填料的表面功能化改性的研究 

鉴于导热填料和树脂基体之间的声子振动频率不匹配（通常被认为是界面热障），SFPC课题组在早期采用界面分子设计并在BNNS（Appl Mater Inter, 2020, 12: 1677；图3）、石墨烯（J Mater Chem C, 2018, 6: 3004；入选2018年“中国百篇最具影响国际学术论文”）和GNPs（Compos Sci Technol, 2017, 139: 83；Int J Heat Mass Tran, 2016, 92: 15）等导热填料表面引入特定的聚合物层，可有效改善导热填料与聚合物基体之间的界面相容性，并显著降低了界面的热障。这解决了导热填料处的热障导致复合材料导热性差的关键问题。

图2 BNN-30@BNNS异质结构填料/玻璃纤维布/环氧树脂层压导热复合材料制备及性能

  4. 导热高分子复合材料的制备调控的研究  

SFPC课题组在早期阶段通过填充一种导热填料有效地改善了导热聚合物复合材料的导热性。用BN填充改性体自修复环氧基质，以实现环氧树脂高导热率，本征自修复和可再加工的协同作用。使用不同类型和形状的混合导热填料可实现“导热路径”的高效协同构建，并有效提高聚合物复合材料的导热率。设计并开发了“静电纺丝-高温模压”技术，以制备导热聚合物复合材料，以进一步提高导热填料在聚合物基体中的均匀分散，并实现导热聚合物复合材料中的“导热路径”。更少的导热填料高效率的成型解决了技术瓶颈问题，即传统的加工方法无法兼顾导热聚合物复合材料的高导热性和出色的力学性能。

图4 两种GNPs/PS导热复合材料的制备示意图

 5. 导热高分子复合材料的热模型构建和导热机理的研究  

SFPC课题组基于有效介质理论（EMT）和热量守恒，并综合考虑了许多影响因素（导热填料的厚度，几何因子，取向分布和体积分数；导热填料与聚合物之间的热障及界面层的厚度，导热填料和聚合物基体本体的导热系数），建立了一个导热模型和方程，更适合于具有分层结构的导热高分子复合材料。通过研究“声子散射-界面热障-导热性能”之间的对应关系，优化了Hashin-Shtrikman模型以获得界面热障参数，从微观角度揭示了导热填料的表面功能化改性以及取向分布有效提高聚合物基导热复合材料导热性能的内在原因，阐明了其导热机理。 最近，SFPC课题组将氧化石墨烯（GO）胺化（NH2-GO）和还原（NH2-rGO），然后制备NH2-rGO /聚酰亚胺（NH2-rGO / PI）导热复合膜。利用拉曼光谱法对NH2-rGO / PI导热复合膜界面的声子散射和ITR进行了创新表征，揭示了界面导热机理，证明了胺化作用优化了NH2-rGO / PI的界面，减少了声子散射和 ITR，并最终改善了界面的导热性。

图5 NH2-rGO/PI导热复合材料表界面微结构优化设计、声子散射表征、导热性能及机理

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