具有优异的电绝缘、高导热性能的聚合物复合材料

来源 | Composites Science and Technology

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背景介绍

热管理在现代工业和技术中发挥着越来越重要的作用，导热材料已成为众多电子产品和大型设备(包括能源设备、航天飞行器等)不可或缺的一部分。大多数金属和陶瓷一般都是理想的导热体，这可以分别归因于电子热传导和相对完美的晶格振动。聚合物良好的可加工性和电绝缘性能使其在热管理中不可或缺，但其随机盘绕的共价分子链会产生强烈的声子散射，由此产生的低导热系数极大地限制了其在散热中的应用。

通过提高分子链的结晶度和有序度，聚乙烯纤维、聚乙烯薄膜、聚乙烯氧化物纤维和聚苯并二恶唑纤维获得了优异的导热系数。这为轻质、可加工和绝缘导热材料开辟了两个新思路。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)以其优异的力学性能、低密度、良好的耐化学性、高耐磨性等特点而备受关注。最近的研究已经扩大了在热管理中使用聚乙烯的可能性。

超高分子量聚乙烯纤维具有较高的导热系数和优良的绝缘性能，非常适合在电绝缘领域发展为导热材料。目前，绝缘导热材料主要是填充导热填料，然而在高填充量下面临导热系数恶化、密度高、可加工性差等棘手问题。利用超高分子量聚乙烯纤维开发全聚合物复合材料有望解决上述问题。但目前很少有研究对超高分子量聚乙烯纤维复合材料的导热系数进行研究，导热系数大于10 W/mK的超高分子量聚乙烯复合材料更是罕见。

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成果掠影

近期，北京大学白树林教授在开发具有高导热和电绝缘性能的聚合物复合材料取得新成果。

针对开发具有优异机械性能、电绝缘、高导热的全聚合物复合材料，通过热压法制备了种具有（0°/90°、±45°）两种取向结构的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维/环氧树脂复合材料。发现±45°复合材料的面内导热系数约为0/90°复合材料的1.3~1.4倍，并通过有限元模拟和模型计算验证了相应的机理。

UHMWPE纤维形成的导热通道使0/90°和±45°复合材料的面内导热系数分别为9.94和13.61 W/mK。通过在纤维表面沉积聚多巴胺(PDA)和枝接聚醚胺(PEA)，改善了纤维/环氧树脂界面的层间剪切强度(ILSS)和剪切模量分别提高了40.7%和52.3%。同时，实现了更高的面内导热系数，高达15.76 W/mK。这项工作揭示了超高分子量聚乙烯纤维在散热方面的巨大潜力，并为电子产品热管理的提供了强有力的候选材料。

研究成果以“Lightweight, electrical insulating, and high thermally conductive all-polymer composites with reinforced interfaces”为题发表于《Composites Science and Technology》。

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图文导读

图1.材料的制备流程示意图。

图2.UHMWPE的表面形貌和结构示意图。

图3.超高分子量聚乙烯/环氧复合材料的截面SEM图。

图4.复合材料的机械性能。

图5.复合材料的热导率、传热机理以及与不同文献热导率的对比。

图6.材料的有限元模型和稳态面内热传导示意图。

图7.复合材料在实际应用中的热管理性能。

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审核编辑黄宇