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 目錄 

1. 本征高導(dǎo)熱高分子的設(shè)計(jì)合成的研究

2. 新型異質(zhì)結(jié)構(gòu)填料的優(yōu)化制備的研究

3. 導(dǎo)熱填料的表面功能化改性的研究

4. 導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料的制備調(diào)控的研究

5. 導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料的熱模型構(gòu)建和導(dǎo)熱機(jī)理的研究

 1. 本征高導(dǎo)熱高分子的設(shè)計(jì)合成的研究 

在早期階段,SFPC課題組通過溶液澆鑄和熱壓制備了導(dǎo)熱聚乙烯醇(PDLC)膜,其固有的微觀有序結(jié)構(gòu)高達(dá)1.41 W / mK(J Mater Sci Technol,2021,82:250);通過硫醇-環(huán)氧親核開環(huán)反應(yīng)和涂膜工藝制備側(cè)鏈型本征高導(dǎo)熱自修復(fù)側(cè)鏈型液晶環(huán)氧膜(LCEF),實(shí)現(xiàn)其高導(dǎo)熱(λ⊥=0.33 W/mK,λ∥=1.52 W/mK)與自修復(fù)的協(xié)同效應(yīng); 從多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開始,通過環(huán)氧單體,固化劑的分子設(shè)計(jì)引入了有序結(jié)構(gòu),并通過優(yōu)化交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來制備基于聯(lián)苯液晶元的主鏈型本征高導(dǎo)熱性環(huán)氧樹脂(LCER,λ為0.51 W / mK,約為通用環(huán)氧樹脂的3倍),突破了固有的導(dǎo)熱聚合物基質(zhì)制備和合成困難以及本體λ低的技術(shù)瓶頸問題。同時(shí),公開了相關(guān)國家的1項(xiàng)發(fā)明專利,并申請了1項(xiàng)美國發(fā)明專利。

圖1 側(cè)鏈型本征高導(dǎo)熱自修復(fù)側(cè)鏈型液晶環(huán)氧膜(LCEF)示意圖

 2. 新型異質(zhì)結(jié)構(gòu)填料的優(yōu)化制備的研究  

SFPC課題組成功制備了MWCNT-Fe3O4 @ Ag,Ag / rGO,f-MWCNTs-g-rGO,SiC-BNNS,BNNS @ SiCnws、BNN-30 @ BNNS和其他新型異質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱填料,利用導(dǎo)熱填料各自的結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征,更容易重疊以形成更多的導(dǎo)熱路徑,并有效避免引入更多界面熱障和導(dǎo)熱填料本身發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)比單一或簡單的混合導(dǎo)熱填料更好的λ提升效果。

圖2 BNN-30@BNNS異質(zhì)結(jié)構(gòu)填料/玻璃纖維布/環(huán)氧樹脂層壓導(dǎo)熱復(fù)合材料制備及性能

 3. 導(dǎo)熱填料的表面功能化改性的研究 

鑒于導(dǎo)熱填料和樹脂基體之間的聲子振動頻率不匹配(通常被認(rèn)為是界面熱障),SFPC課題組在早期采用界面分子設(shè)計(jì)并在BNNS(Appl Mater Inter, 2020, 12: 1677;圖3)、石墨烯(J Mater Chem C, 2018, 6: 3004;入選2018年“中國百篇最具影響國際學(xué)術(shù)論文”)和GNPs(Compos Sci Technol, 2017, 139: 83;Int J Heat Mass Tran, 2016, 92: 15)等導(dǎo)熱填料表面引入特定的聚合物層,可有效改善導(dǎo)熱填料與聚合物基體之間的界面相容性,并顯著降低了界面的熱障。這解決了導(dǎo)熱填料處的熱障導(dǎo)致復(fù)合材料導(dǎo)熱性差的關(guān)鍵問題。

圖2 BNN-30@BNNS異質(zhì)結(jié)構(gòu)填料/玻璃纖維布/環(huán)氧樹脂層壓導(dǎo)熱復(fù)合材料制備及性能

  4. 導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料的制備調(diào)控的研究  

SFPC課題組在早期階段通過填充一種導(dǎo)熱填料有效地改善了導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱性。用BN填充改性體自修復(fù)環(huán)氧基質(zhì),以實(shí)現(xiàn)環(huán)氧樹脂高導(dǎo)熱率,本征自修復(fù)和可再加工的協(xié)同作用。使用不同類型和形狀的混合導(dǎo)熱填料可實(shí)現(xiàn)“導(dǎo)熱路徑”的高效協(xié)同構(gòu)建,并有效提高聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱率。設(shè)計(jì)并開發(fā)了“靜電紡絲-高溫模壓”技術(shù),以制備導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料,以進(jìn)一步提高導(dǎo)熱填料在聚合物基體中的均勻分散,并實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料中的“導(dǎo)熱路徑”。更少的導(dǎo)熱填料高效率的成型解決了技術(shù)瓶頸問題,即傳統(tǒng)的加工方法無法兼顧導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的高導(dǎo)熱性和出色的力學(xué)性能。

圖4 兩種GNPs/PS導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備示意圖

 5. 導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料的熱模型構(gòu)建和導(dǎo)熱機(jī)理的研究  

SFPC課題組基于有效介質(zhì)理論(EMT)和熱量守恒,并綜合考慮了許多影響因素(導(dǎo)熱填料的厚度,幾何因子,取向分布和體積分?jǐn)?shù);導(dǎo)熱填料與聚合物之間的熱障及界面層的厚度,導(dǎo)熱填料和聚合物基體本體的導(dǎo)熱系數(shù)),建立了一個(gè)導(dǎo)熱模型和方程,更適合于具有分層結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料。通過研究“聲子散射-界面熱障-導(dǎo)熱性能”之間的對應(yīng)關(guān)系,優(yōu)化了Hashin-Shtrikman模型以獲得界面熱障參數(shù),從微觀角度揭示了導(dǎo)熱填料的表面功能化改性以及取向分布有效提高聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的內(nèi)在原因,闡明了其導(dǎo)熱機(jī)理。 最近,SFPC課題組將氧化石墨烯(GO)胺化(NH2-GO)和還原(NH2-rGO),然后制備NH2-rGO /聚酰亞胺(NH2-rGO / PI)導(dǎo)熱復(fù)合膜。利用拉曼光譜法對NH2-rGO / PI導(dǎo)熱復(fù)合膜界面的聲子散射和ITR進(jìn)行了創(chuàng)新表征,揭示了界面導(dǎo)熱機(jī)理,證明了胺化作用優(yōu)化了NH2-rGO / PI的界面,減少了聲子散射和 ITR,并最終改善了界面的導(dǎo)熱性。

圖5 NH2-rGO/PI導(dǎo)熱復(fù)合材料表界面微結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、聲子散射表征、導(dǎo)熱性能及機(jī)理

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標(biāo)題:西工大顧軍渭教授及SPFC課題組在導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料界面熱障的重要研究成果

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