纳米纤维素支撑的三维氮化硼气凝胶：增强聚合物绝缘材料热管理能力的新思路
绝缘材料是电力设备及电子器件不可或缺的基本组成部分，相当程度上决定了电力设备及电子器件的技术水平。当前，电力设备与电子器件朝着集成化、高功率化等方向发展，其运行、工作过程中会产生大量热量，若这些热量不能被高效传递出去，会严重影响设备及器件的工作可靠性和使用寿命。聚合物在电力设备及电子器件中被广泛用作绝缘材料，但大部分聚合物材料导热系数低，严重制约了各种设备热管理能力的提升。为解决这一问题，传统的方式是通过在聚合物中添加大量无机导热填料增强材料的导热系数、提高热管理能力。但这一方法在满足提高热管理能力的同时，会牺牲聚合物材料的绝缘性能、机械性能及加工性能。因此，在低填充下实现高效热管理能力是导热绝缘材料研究中的一大挑战。
近日，上海交通大学研究人员使用纳米纤维素支撑的三维氮化硼气凝胶提升聚合物材料的热管理能力，并使相应的纳米复合材料保持优异的绝缘性能。具体来讲，首先使用纳米纤维素作为支持模板，通过溶胶凝胶法与真空冷冻干燥技术制备三维互联的氮化硼纳米片气凝胶，浇注环氧树脂后得到纳米复合绝缘材料。采用该方法，在9.6 vol% 氮化硼含量下，复合材料导热系数可达3.13 Wm-1K-1，是环氧树脂的17倍。而采用常规共混工艺制备的复合材料，在相同氮化硼纳米片含量下导热系数为0.40 Wm-1K-1，仅为环氧树脂的2.2倍。更重要的是，采用三维氮化硼纳米片气凝胶制备的复合材料仍具有优异的绝缘性能，体积电阻率达1015 Ω·cm，并且玻璃化转变温度明显高于环氧树脂和其它复合材料（包括常规方法制备的氮化硼纳米片复合材料和纳米纤维素气凝胶复合材料）。这种纳米复合材料的优异性能得益于多层氮化硼纳米片的高导热率、高绝缘性以及尺寸效应（厚度为2-3 nm，横向尺寸为1-2 µm，具有高长颈比）。使用红外热像仪观察到该纳米复合绝缘材料具有比常规纳米复合材料快的多热响应速率，说明其在热管理方面具有很好的应用前景。该方法为开发具有高效热管理能力的导热绝缘复合材料提供了新思路。
相关论文发表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.201604754）上。通信作者为上海交通大学黄兴溢，第一作者为上海交通大学博士生陈金。
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