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《Advanced Materials》:南京理工高性能熱管理材料研究獲進展
發布:Iron_MAN10   時間:2020/1/22 8:10:47   閱讀:213 
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近日,材料領域國際著名期刊《先進材料》(Advanced Materials,IF=25.809)在線發表了南京理工大學化工學院吳凱副教授高性能熱管理材料的最新研究成果,文章標題為“Highly Thermoconductive, Thermostable, and Super‐Flexible Film by Engineering 1D Rigid Rod‐Like Aramid Nanofiber/2D Boron Nitride Nanosheets”(https://doi.org/10.1002/adma.201906939)。論文的第一作者和通訊作者為我校2019年新引進教師吳凱副教授。

聚合物熱管理材料具有金屬或陶瓷材料不可比擬的性能,比如易加工性、低密度、高柔韌性等。但是,聚合物較低的導熱系數以及較差的高溫耐受性(>200℃)極大地限制了其在高溫環境下或者針對高功率電子器件的熱管理應用。目前,研究者主要將精力集中在設計新型的聚合物/填料復合材料,主要通過優化導熱填料的本征化學/物理結構、定構導熱填料的三維網絡等方式提高聚合物復合材料的導熱性能。南京理工大學化工學院的吳凱副教授一直致力于聚合物復合材料的熱管理研究,圍繞上述問題提出了一系列提高聚合物復合材料導熱性能的新方法:例如構筑貫穿雙網絡結構(Compos. Sci. Technol. 2016, 130, 28(一區);Compos. Sci. Technol. 2017, 151, 193(一區).)、設計隔離雙網絡結構(ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 7637(一區);Compos. Sci. Technol. 2017, 151, 193(一區).)、二維導熱納米片邊緣選擇性羥基化的策略(J. Mater. Chem. A 2018, 6, 11863(一區);ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 30035(一區);ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 40685(一區).)等等。
 

圖1. 基于剛性棒狀ANF與BNNS構筑的導熱通路示意圖:BNNS-BNNS的連續網絡相當于導熱高速公路,剛性棒狀ANF相當于導熱橋梁。

基于上述的研究結果,針對進一步提高熱管理材料的導熱性和高溫耐受性,作者從聚合物本身的分子鏈結構出發,選擇了具有剛性芳香環作為基本結構單元的線性大分子PPTA作為聚合物基體的基本構筑單元,通過自組裝誘導一維PPTA納米纖維(ANF)從蠕蟲狀向剛性棒狀構型轉變,并與邊緣選擇性羥基化的BNNS復合制備了一種具有超高導熱系數、高溫極其穩定的絕緣熱管理薄膜。
 

圖2. (a) 芳綸纖維,(b) 蠕蟲狀ANF和 (c) 剛性棒狀ANF的電鏡/顯微鏡照片;(d) ANF溶液的溶液流變性能;(e) ANF從蠕蟲狀向剛性棒狀轉變的示意圖。

由于剛性棒狀ANF內分子鏈的纏結和扭曲較少,PPTA分子鏈可能以更規整、伸直的狀態排列成完好的結晶結構,因此使ANF沿分子鏈方向的導熱系數可以提高20倍以上。此外,緊密堆砌的ANF與BNNS之間由于良好的界面相互作用以及聲子振動匹配也更有利于熱流在1D/2D結構內良好地傳遞。因此,在BNNS含量僅為30wt%時,這種復合薄膜顯示出了前所未有的高導熱系數(46.7 W/m K),是相應蠕蟲狀ANF/BNNS復合薄膜的2.37倍。此外,這種高溫極其穩定的熱管理薄膜還具有低密度高熱導28.9 W m-1 K-1/103 (kg m-3)、高強度(>100 MPa,450℃)等優點,使其能夠在200℃以上對一些高溫電極進行良好的熱管理。本工作將有望拓寬有機高分子材料在高溫電子封裝或高功率散熱器件的應用。
 

圖3. (a) BNNS和ANF的模型示意圖;(b) ANF和氮化硼的聲子振動能譜;(c) 紅外光譜證明ANF與BNNS的界面?-?相互作用;(d-f)分子動力學模擬計算ANF的導熱系數。

該工作發表在Advanced Materials (Adv. Mater. 2020, 1906939)上。論文的第一作者和通訊作者為南京理工大學化工學院教師吳凱副教授,南京理工大學化工學院為第一通訊作者單位,共同通訊作者為四川大學高分子科學與工程學院傅強教授以及澳大利亞迪肯大學Lei Weiwei博士。該工作得到了南京理工大學科研啟動基金(AE89991/222)、國家自然科學基金(No. 51573102和No. 51421061)的大力支持。


來源:南京理工大學
 
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