摘要：絕緣材料的熱管理能力在電氣裝備、電子器件的性能、壽命和穩(wěn)定性方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。近些年,高功率密度和高集成已成為電氣設(shè)備和電子器件的發(fā)展方向,單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的熱量越來越高,良好的散熱能力就成為保證其長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。因此高導(dǎo)熱絕緣聚合物納米復(fù)合材料的研究備受關(guān)注。為此,綜述了導(dǎo)熱填料的種類、特性及其在制備導(dǎo)熱絕緣納米復(fù)合材料中的應(yīng)用,特別關(guān)注了通過控制聚合物復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu),如控制導(dǎo)熱填料取向、雙閾滲結(jié)構(gòu)、納米填料自組裝形成連續(xù)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)等方法。最后,建議利用紡絲方法將導(dǎo)熱納米材料有效串聯(lián)起來構(gòu)筑高導(dǎo)熱通路（簡稱熱線）,從而實(shí)現(xiàn)定向高導(dǎo)熱柔性絕緣材料,也展望了高導(dǎo)熱絕緣聚合物納米復(fù)合材料未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞 : 熱管理; 導(dǎo)熱性能; 復(fù)合材料; 納米材料; 絕緣性能;

DOI：10.13336/j.1003-6520.hve.20170831003

0 引言

高導(dǎo)熱絕緣納米材料在電氣電力設(shè)備、微電子、發(fā)光二極管（LED）照明、太陽能、交通運(yùn)輸、航空航天、國防軍工及能源換熱設(shè)備等現(xiàn)代高科技領(lǐng)域中有著十分廣闊的應(yīng)用前景,據(jù)美國Lux Research咨詢公司預(yù)測,到2020年熱塑性導(dǎo)熱復(fù)合材料需求總值將超過19億美元,年復(fù)合增長率>31%[1-3]。化工生產(chǎn)和廢水處理中使用的熱交換器材料不僅具有耐高溫和優(yōu)異的耐化學(xué)腐蝕性能,還需要有較高的導(dǎo)熱能力;電氣電子設(shè)備上使用的熱界面材料和封裝材料往往需要同時(shí)具備優(yōu)良的電絕緣性能和高導(dǎo)熱性能;LED照明設(shè)備中的覆銅基板和界面材料,不僅需要良好的絕緣性能和柔韌性,而且也要有優(yōu)秀的熱傳導(dǎo)能力,否則高功率的LED內(nèi)積聚越來越多的熱量,導(dǎo)致嚴(yán)重的光衰而造成產(chǎn)品報(bào)廢。研制高導(dǎo)熱絕緣材料,解決電氣電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)散熱問題,制備具有優(yōu)良綜合性能的高導(dǎo)熱聚合物絕緣材料正成為國際電氣電子絕緣領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[4-7]。

聚合物絕緣材料在常溫下主要通過聲子來傳熱,聲子是一種準(zhǔn)粒子,準(zhǔn)粒子涉及到的常常不是一個(gè)粒子,而是許多粒子的集體行為,它是相互耦合著的原子系統(tǒng)的被激發(fā)了的集體振動(dòng)的量子化概念[8-9]。它與周圍電子、離子要發(fā)生相互作用,發(fā)生界面散射,因此,很難在聚合物的無規(guī)纏繞、低結(jié)晶度的分子鏈之間有效傳遞,因此聚合物的導(dǎo)熱性能差[10]。因此,按照近代固體物理熱傳導(dǎo)的微觀理論,通過在聚合物基體材料中摻雜導(dǎo)熱率較高的導(dǎo)熱填料制備高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料的方法,仍是目前制備高導(dǎo)熱材料的主流方法[11-12]。粒子填充型聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)主要是由聚合物基體和導(dǎo)熱填料共同影響[13-14]。當(dāng)導(dǎo)熱填料的添充量達(dá)到一定量時(shí),填料與填料之間或填料聚集區(qū)與另一聚集區(qū)之間會(huì)相互接觸,在復(fù)合材料體系中形成局部的導(dǎo)熱鏈或?qū)峋W(wǎng)絡(luò);若繼續(xù)增加粒子填充量,會(huì)產(chǎn)生部分的導(dǎo)熱網(wǎng)鏈互相連接和貫穿結(jié)構(gòu),使無機(jī)填料填充的復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)得到顯著增加。然而高添加量下熱導(dǎo)率的提高往往也伴隨著加工和機(jī)械性能的下降、成本的提升和力學(xué)性能的損失。因此制備具有綜合性能優(yōu)良的高導(dǎo)熱絕緣聚合物材料仍然面臨很大的挑戰(zhàn)[15-18]。

基于此,本文總結(jié)了近年高導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料中使用的導(dǎo)熱填料的種類、特性及其研究進(jìn)展,除傳統(tǒng)復(fù)合材料制備方法外,特別關(guān)注了控制填料取向、填料聚集結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)、自組裝形成連續(xù)填料網(wǎng)絡(luò)、雙閾滲等較新方法制備高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的最新進(jìn)展。最后,討論了提高復(fù)合材料導(dǎo)熱性能研究中遇到的問題與對未來研究的展望。

1 導(dǎo)熱填料

目前,用來制備導(dǎo)熱絕緣聚合物納米復(fù)合材料的填料主要有碳類（碳納米管、石墨烯）、無機(jī)粒子和金屬（銀、銅）等填料。無機(jī)粒子分別有氮化物,如氮化硼(BN)、氮化鋁(AlN)、氮化硅(Si3N4)等;氧化物,如氧化鎂(MgO)、氧化鋁(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化鈹(BeO) ;碳化物,應(yīng)用較多的主要是碳化硅(SiC)。常見的聚合物基體與導(dǎo)熱填料的室溫?zé)釋?dǎo)率如表1所示[4]。

金屬具有優(yōu)良的熱、電傳導(dǎo)性能,主要有鋁粉、銅粉、銀粉、錫粉和鐵粉等[19]。然而這些填料本身具有很高的電導(dǎo)率,將其填充到聚合物中會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料電導(dǎo)率明顯升高,甚至導(dǎo)電。因此,金屬類填料只能被應(yīng)用于對電絕緣和擊穿電壓要求不高的領(lǐng)域。

碳系導(dǎo)熱聚合物材料中,填料主要有碳纖維、石墨、碳納米管、金剛石和石墨烯等。碳類填料可以在很小的添加量下明顯提高材料的熱導(dǎo)率,相比于金屬填料和無機(jī)填料質(zhì)量更輕[20-23]。石墨烯由于其特殊的2維結(jié)構(gòu),具有超高的導(dǎo)熱系數(shù)和優(yōu)異的機(jī)械性能,受到各個(gè)領(lǐng)域的研究者的重點(diǎn)關(guān)注[24]。可惜的是,碳類填料本身也具有較高的電導(dǎo)率,這限制了其在絕緣領(lǐng)域的應(yīng)用。在導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料領(lǐng)域,通常是將這類導(dǎo)電填料外包裹1層有機(jī)或無機(jī)的絕緣層,以限制填料的導(dǎo)電性,同時(shí)保留了復(fù)合材料較高的導(dǎo)熱性能。例如,杜邦公司的Yuri Noma等[25]使用通過溶膠凝膠法 (sol-gel) 將石墨顆粒表面包覆1層SiO2,在填料體積分?jǐn)?shù)為22.9%時(shí),制備的聚合物復(fù)合材料熱導(dǎo)率達(dá)3.3 W/(m·K)。同時(shí)具有較好的絕緣性能,施加500 V電壓時(shí),復(fù)合材料體積電阻率>1.0×1014 Ω·cm。

無機(jī)類填料由于自身優(yōu)良的高熱導(dǎo)率、良好的電絕緣性能,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于制備導(dǎo)熱絕緣聚合物復(fù)合材料的研究,其中大多數(shù)金屬氧化物如氧化鋁 (Al2O3)、氧化硅(SiO2)和氧化鎂(MgO)的熱導(dǎo)率相對較低,小于50 W/(m·K)[26]。許多非氧元素填料如氮化鋁 (AlN)、氮化硼 (BN)、氮化硅（Si3N4)和碳化硅(SiC)等的熱導(dǎo)率很高,這是由于這些物質(zhì)的原子間的鍵結(jié)力很強(qiáng),晶體結(jié)構(gòu)能更加明顯地減少聲子散射[27-31]。

氧化物和碳化物常用來制備導(dǎo)熱復(fù)合材料。Al2O3由于其優(yōu)異的電絕緣性能、低廉的成本和一定的導(dǎo)熱能力被廣泛地應(yīng)用于聚合物的改性和電力設(shè)備絕緣復(fù)合材料,如電纜終端的環(huán)氧套管和GIS盆式絕緣子等。Al2O3具有多種晶型結(jié)構(gòu),晶體結(jié)構(gòu)中氧的堆集最緊密,其中α-Al2O3是最穩(wěn)定的晶型。本課題組Yu等采用兩步法將超支化聚芳酰胺接枝到納米Al2O3顆粒表面,制備了環(huán)氧樹脂復(fù)合材料,并對復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能和介電性能進(jìn)行研究[32]。結(jié)果發(fā)現(xiàn)粒子改性后的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率明顯高于未經(jīng)改性的Al2O3環(huán)氧樹脂復(fù)合材料,并且電絕緣性能優(yōu)異。SiO2的熱導(dǎo)率較低,但是電絕緣性能良好、價(jià)格較低,在電子封裝領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用,在環(huán)氧樹脂基體中體積分?jǐn)?shù)可高達(dá)79%。SiC具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和良好的熱穩(wěn)定性。另外SiC還具有非線性,可以用于電應(yīng)力控制。張曉輝制備了環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱復(fù)合材料,當(dāng)粉末填充體積分?jǐn)?shù)為53.9%時(shí),復(fù)合材料的熱導(dǎo)率高達(dá)4.23 W/(m·K)[33]。

在氮化物填料中,AlN具有高的本征熱導(dǎo)率、耐高溫及良好的介電性能等優(yōu)點(diǎn),在電子膠、LED散熱、傳熱器等領(lǐng)域應(yīng)用前景很廣。當(dāng)AlN體積分?jǐn)?shù)為78.5%時(shí),酚醛樹脂/AlN復(fù)合材料的熱導(dǎo)率可達(dá)到32.5 W/(m·K),是相同含量下SiO2復(fù)合材料的20多倍,而且介電常數(shù)低[34]。此外,AlN常被用在線型低密度聚乙烯（LLDPE）復(fù)合體系中,復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能、較高的熱導(dǎo)率、寬頻下低介電常數(shù)和損耗,用于低功率電子器件的封裝[35]。Si3N4是一種重要的導(dǎo)熱填料,相比AlN具有更低的吸濕率,其耐腐蝕性強(qiáng)、高強(qiáng)度、高硬度、熱導(dǎo)率較高同時(shí)也是一種高性能電絕緣材料。可被使用制備新型高導(dǎo)熱環(huán)氧模塑料,在體積分?jǐn)?shù)為60%時(shí),體系熱導(dǎo)率達(dá)到2.3 W/(m·K),而其介電常數(shù)仍然維持在低水平[36]。

相比其他導(dǎo)熱填料,h-BN不僅具有高導(dǎo)熱性能、高強(qiáng)度、低吸濕率、高電擊穿強(qiáng)度、良好的抗氧化性能,而且其介電常數(shù)和介電損耗也非常低,與聚合物基體較為接近,在現(xiàn)階段是制備（具有）良好的絕緣性能、導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能的較理想材料[37]。Zeng等研究了h-BN與雙馬來酰亞胺三嗪樹脂復(fù)合材料體系,發(fā)現(xiàn)體積分?jǐn)?shù)約32%時(shí)復(fù)合材料熱導(dǎo)率高達(dá)1.11 W/(m·K),相對介電常數(shù)和損耗角正切值分別是4.5和0.015,是一種綜合性能良好且具有很大前景的散熱材料[38]。此外,BN納米片(BNNS)和納米管(BNNT)可作為新型納米材料(見圖1),因其具有超高的長徑比、2維平面和1維管狀的形貌,分別在面內(nèi)方向和軸向具有更高的熱導(dǎo)率。在這些復(fù)合材料制備研究中,近年來以日本國立材料研究所Dmitric Golberg和Yoshio教授,香港城市大學(xué)支春懿助理教授、澳大利亞迪肯大學(xué)Ying Chen教授、愛爾蘭都柏林圣三一學(xué)院Jonathan Coleman教授、美國佐治亞理工學(xué)院Ching-Ping Wong教授、上海交通大學(xué)江平開教授課題組等為代表的科學(xué)家在高導(dǎo)熱納米片BNNS的制備改性聚合物復(fù)合材料方面做了大量有意義的研究,所得到氮化硼/聚合物復(fù)合材料的表均現(xiàn)出較高的導(dǎo)熱性能,這是目前國際關(guān)注的熱點(diǎn)材料[39-43]。Huang等將籠型八倍半硅氧烷(POSS)功能化的BNNT(見圖2)添加到環(huán)氧樹脂中,發(fā)現(xiàn)當(dāng)體積分?jǐn)?shù)約為17%時(shí),復(fù)合材料在保持較低的介電常數(shù)及損耗下,熱導(dǎo)率將近提高了13.6倍[42]。

圖1 BNNS和BNNT的結(jié)構(gòu)

圖2 籠型倍半硅氧烷(POSS)功能化的BNNT過程機(jī)理圖

圖3 3D-BNNS的制備與結(jié)構(gòu)

最近,汪正平課題組在3維內(nèi)部連接BNNS體系的研究取得了很大進(jìn)展,以冰為模板,通過真空凍干法制備了一系列不同比表面積的3D-BNNS氣凝膠[44],見圖3,注環(huán)氧樹脂固化之后的導(dǎo)熱性能相比均勻分散有很大的提高,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在填充BNNS體積分?jǐn)?shù)僅為9.29%的情況下,復(fù)合材料熱導(dǎo)率可以達(dá)到2.85 W/(m·K)。這為制備高導(dǎo)熱絕緣材料提供了新思路。

2 導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)控制

2.1 填料取向

許多導(dǎo)熱填料具有各向異性的導(dǎo)熱性質(zhì)。這些填料往往具有較高的比表面積、非球形的形貌,這些填料可在特定加工過程中定向取向,導(dǎo)致材料在取向方向熱導(dǎo)率較高,在其他方向特別是垂直于取向方向上熱導(dǎo)率比較低。近幾年,研究者發(fā)現(xiàn)很多導(dǎo)熱填料添加到聚合物中可具有各向異性結(jié)構(gòu),例如2維六方氮化硼片、1維碳納米管、碳纖維、氮化硅納米線、石墨片和石墨烯等[45-47]。

很多應(yīng)用領(lǐng)域中需要在特定的方向上具有高的熱導(dǎo)率。然而,在許多情況下,設(shè)計(jì)材料時(shí)所希望的高導(dǎo)熱方向往往不是復(fù)合材料具有最高的熱導(dǎo)率的方向。例如,對于熱界面材料來說,在加工過程中,導(dǎo)熱填料傾向于沿流動(dòng)方向上定向取向,這導(dǎo)致材料在面內(nèi)方向上具有高的熱導(dǎo)率,然而界面材料往往是希望在沿面方向上具有高的導(dǎo)熱性。因此,各向異性導(dǎo)熱復(fù)合材料研究中,在指定方向上實(shí)現(xiàn)高熱導(dǎo)率備受關(guān)注[47]。

目前,在復(fù)合材料中各向異性填料的取向方法主要有兩類：1）加工過程取向,即填料在加工過程中通過剪切與拉伸力取向。例如注塑、擠出、壓力成型、流延、多級伸縮、靜電等;2）外場驅(qū)動(dòng)取向,如磁場下取向,電場取向[48-52]。在這方面的研究中,Yan等利用磁場誘導(dǎo)使石墨烯在環(huán)氧樹脂基體中取向排列,固化得到復(fù)合材料[52]。首先通過共沉淀法將Fe3O4負(fù)載到石墨烯片表面。得到的雜化GNS-Fe3O4在低摻雜量,磁場下可平行取向。結(jié)果表明取向結(jié)構(gòu)的各向異性的熱導(dǎo)率相比平均分散復(fù)合材料得到很大提高。

2.2 連續(xù)填料網(wǎng)絡(luò)的形成

在高導(dǎo)熱絕緣聚合物納米復(fù)合材料的制備中,連續(xù)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成是提高復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵。高添加量（體積分?jǐn)?shù)為60%~70%）可以形成閾滲結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò),然而,這種高添加量使材料加工困難,增加了成本而且力學(xué)性能明顯降低。因此,實(shí)現(xiàn)低添加量下形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò),制備具有高熱導(dǎo)率增加效率的復(fù)合材料成為目前導(dǎo)熱絕緣領(lǐng)域的一大難題。目前,已經(jīng)有很多方法嘗試構(gòu)建復(fù)合材料低添加量下的導(dǎo)熱通路。

1）混合模壓

這種方法是將填料粉末與聚合物顆粒預(yù)先混合,然后高溫模壓混合物制備復(fù)合材料,其中粒徑較小的填料包圍在粒徑較大的聚合物顆粒表面,存在于聚合物粒子之間的界面處,低含量下即可形成的熱傳導(dǎo)路徑。這種方法已用于制備氮化鋁填充聚苯乙烯復(fù)合材料[53],將聚苯乙烯顆粒與AlN粉末在室溫混合后高溫模壓形成復(fù)合材料。結(jié)果發(fā)現(xiàn),相比0.15 mm的小粒徑聚合物顆粒,粒徑為2 mm的大粒徑聚苯乙烯復(fù)合材料熱導(dǎo)率更高。Agari等對比使用4種混合方法,包括粉末混合、溶液混合、滾輪機(jī)械混合和熔融混合,分別制備聚乙烯石墨復(fù)合材料[54]。結(jié)果發(fā)現(xiàn),粉末混合制備的復(fù)合材料熱導(dǎo)率最高,同時(shí)使用熔融混合的方法,得到的復(fù)合材料熱導(dǎo)率最低。可見,其他條件不變的情況下,復(fù)合材料中的分散狀態(tài)很大程度決定了復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。Yue Jiang等將這種方法進(jìn)行改進(jìn),采用靜電吸附的方法,將h-BN進(jìn)行硅烷改性包覆在聚苯硫醚 (PPS)球形顆粒上形成核殼結(jié)構(gòu),熱壓成型制備PPS/BN復(fù)合材料[55],見圖4。材料在BN體積分?jǐn)?shù)40%時(shí),熱導(dǎo)率高達(dá)4.15 W/(m·K),而同樣含量均勻分散的PPS/BN復(fù)合材料熱導(dǎo)率為2.45 W/(m·K)。

圖4 PPS/BN復(fù)合材料的制備機(jī)理圖

2）雙閾滲結(jié)構(gòu)

在聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)電研究領(lǐng)域,滲流現(xiàn)象已經(jīng)被用于廣泛研究提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性。這是指在填充型復(fù)合材料中,當(dāng)填充粒子添加量達(dá)到一定能濃度時(shí),材料的某種性能突然發(fā)生變化的行為。在不相容的聚合物共混物中,導(dǎo)熱填料選擇性分布在其中一連續(xù)相,如果導(dǎo)熱填料在這一相中是閾滲狀態(tài),此時(shí),該結(jié)構(gòu)被稱為雙閾滲結(jié)構(gòu)[56-58]。在雙閾滲復(fù)合材料的構(gòu)建中,要求不相容聚合物共混物的兩相中至少一相為連續(xù)狀態(tài),作為聚合物基體,導(dǎo)熱填料選擇性分布在該連續(xù)相中。通過這種方法,在同樣的填料摻雜量下,雙閾滲結(jié)構(gòu)材料的熱導(dǎo)率可以得到明顯提高;與傳統(tǒng)均勻分散相比,復(fù)合材料得到相同的熱導(dǎo)率需要更少的粒子添加量。例如在聚偏氟乙烯/聚苯乙烯不相容共混物中,添加碳化硅納米粒子可以成功構(gòu)建雙閾滲結(jié)構(gòu)并有效減少了碳化硅的摻雜量[59]。此外,在含硫和含氟兩種聚酰亞胺共混物與氧化鋅納米顆粒自發(fā)構(gòu)成的聚酰亞胺共混膜中,存在著特殊的 ''垂直雙閾滲''形態(tài)[60]。兩相分別沿垂直于膜方向上交替取向排列,ZnO納米粒子趨向于優(yōu)先在含氟的聚酰亞胺相中析出。在體積分?jǐn)?shù)27%的ZnO納米粒子添加量下,共混膜的熱導(dǎo)率提高了410%,而在均一聚酰亞胺基體下熱導(dǎo)率只提高了90%。

3）自組裝過程

在復(fù)合材料制備過程中,利用填料的自組裝過程構(gòu)建閾滲的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò),是一種重要的高效提高材料導(dǎo)熱性能的方法。見圖5(a),在聚合物固化過程中,熱傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)通過3個(gè)步驟形成：（1）聚乙烯吡咯烷酮 (PVP)包覆銀納米粒子的自組裝;（2）銀表面的PVP的移除;（3）銀納米粒子的低溫煅燒形成高比表面積網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[61]。其中在較低溫度下,納米金屬填料比微米級金屬粒子更易燒結(jié)并自組裝形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。在相同的體積分?jǐn)?shù)下,通過這種方法制備的環(huán)氧樹脂/納米銀復(fù)合材料的熱導(dǎo)率是微米粒子復(fù)合材料熱導(dǎo)率的近50倍。最近,本課題組利用纖維素與剝離后的氮化硼納米片的氫鍵吸引作用,以高長徑比纖維素線作為模板,通過溶膠凝膠法將氮化硼納米片自組裝附著在纖維素纖維上[62],見圖5(b)。結(jié)果顯示,氮化硼納米片組成的連接網(wǎng)絡(luò)有效提高材料的熱導(dǎo)率,在低含量下（體積分?jǐn)?shù)9.6%）,熱導(dǎo)率相比基體提高17倍。

圖5 2種自組裝方法制備高導(dǎo)熱復(fù)合材料

3 總結(jié)與展望

文中討論了導(dǎo)熱絕緣高分子納米復(fù)合材料的研究進(jìn)展。分別介紹了導(dǎo)熱填料的種類、特性及其主要研究現(xiàn)狀,特別綜述了近幾年最新的通過控制聚合物復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)提高復(fù)合材料熱導(dǎo)率的幾種方法的研究進(jìn)展。

1）填料的種類嚴(yán)重影響聚合物納米復(fù)合材料的熱導(dǎo)率,在導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料的制備中,主要是用絕緣性比較好的導(dǎo)熱填料,金屬氧化物如Al2O3、SiO2,非氧元素填料如AlN、h-BN、Si3N4和SiC等。其中,h-BN特別是BNNS不僅具有高導(dǎo)熱性能、高強(qiáng)度、低吸濕率、高電擊穿強(qiáng)度、良好的抗氧化性能,而且其介電常數(shù)和介電損耗也非常低,與聚合物基體較為接近,在現(xiàn)階段是制備良好的絕緣性能、導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能材料的較理想填料。

2）具有各向異性導(dǎo)熱性能1維或2維納米填料的取向行為可以形成導(dǎo)熱上各向異性的復(fù)合材料。填料的取向可以在加工過程中形成,也可以通過外場實(shí)現(xiàn),如磁場和電場等。

3）目前,在低添加量下實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成,制備具有高熱導(dǎo)率增加效率的納米復(fù)合材料成為目前導(dǎo)熱絕緣領(lǐng)域的一大難題。其中,連續(xù)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成是提高復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵。在這方面的研究中,總結(jié)了3種方法,包括聚合物顆粒與導(dǎo)熱填料混合模壓、填料雙閾滲結(jié)構(gòu)的建立和納米填料自組裝過程,并且綜述了最新的研究進(jìn)展。

盡管現(xiàn)今在導(dǎo)熱復(fù)合材料領(lǐng)域已經(jīng)有了以上的研究成果,但仍然存在許多挑戰(zhàn)。未來更多的研究應(yīng)該在低填加量下實(shí)現(xiàn)納米復(fù)合材料的高導(dǎo)熱,并且提高材料的綜合性能以滿足應(yīng)用要求。高取向的聚合物纖維、高結(jié)晶聚合物可以獲得較高的熱導(dǎo)率,關(guān)于這些方面的研究與應(yīng)用還有待深入研究。此外,還要開發(fā)新型的高導(dǎo)熱填料。導(dǎo)熱絕緣納米填料等在未來也是很重要的研究方向。控制填料的取向和復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)是未來在低填料含量下實(shí)現(xiàn)高熱導(dǎo)率的重要突破口。開發(fā)新型加工技術(shù)也可以幫助填料形成低含量下閾滲結(jié)構(gòu)。例如,最近3D打印技術(shù)的運(yùn)用可能有助于填料定域化混入復(fù)合材料中構(gòu)建導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。同時(shí),加強(qiáng)基體聚合物本征導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)的微觀組裝與合成,比如有序的連續(xù)液晶相的形成,為基體本征導(dǎo)熱提供高導(dǎo)熱的基礎(chǔ),協(xié)同高導(dǎo)熱填料的微觀設(shè)計(jì),進(jìn)一步優(yōu)化材料的導(dǎo)熱、絕緣、機(jī)械等綜合性能。當(dāng)前對導(dǎo)熱聚合物的理論研究已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上工業(yè)和應(yīng)用的需求發(fā)展的步伐,加強(qiáng)對導(dǎo)熱高分子材料的理論研究刻不容緩。

信息來源 | 高電壓技術(shù)

作者 | 江平開, 陳金, 黃興溢

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