郑州大学申长雨院士和刘春太教授团队CSTE: 通过构建三维混合填料网络提升复合材料的热导率

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近年来，随着高度集成和小型化电子器件的发展，聚合物基导热复合材料可以消散操作过程中电气元件产生的热量，同时具有易加工、质轻、化学稳定性好等优点。然而，聚合物基体本身导热性能较差，这将严重限制其在高产热设备中的应用。提高聚合物导热能力最简单可行的方法是添加导热填料，但单一填料对其含量要求过高，这势必会对复合材料在加工和性能方面产生消极影响。混合多维的填料网络构建，可以很好的解决这一难题，实现在较低填料含量下复合材料导热性能的大幅提升，然而，我们必须思考出有效的对策来确保填料与基体间较强的界面结合，及其在聚合物中较好的分散。

郑州大学橡塑模具国家工程中心申长雨院士和刘春太教授团队的刘宪虎博士课题组利用高密度聚乙烯接枝马来酸酐作（HDPE-g-MAH）为基体（HDPE）改性剂，通过简单熔融共混氮化硼（BN）和羟基化多壁碳纳米管(MWCNTs)，成功制备出三元复合材料（MHDPE/BN/MWCNTs），其具有优异的导热性能，机械性能，热性能和有效的电磁屏蔽性能等，并发现了复合材料中导热性能与流变性能之间的线性关系。工作以“Largely improved thermal conductivity of HDPE composites by building a 3D hybrid fillers network”为题发表在在国际复合材料Top期刊Composites Science and Technology上。 

为了表明HDPE-g-MAH对HDPE基体的成功改性，以及填料与基体间较强的界面结合和均匀的分散状态，他们利用TEM和FTIR对复合材料进行表征，结果表明HDPE-g-MAH对基体改性是成功的，填料在基体中分散均匀，同时，借助加工的高温条件，填料表面的极性基团（羟基，氨基）可与马来酸酐热降解产生的羧基进行酯化反应，进而增强界面结合力。

图1. 聚乙烯接枝马来酸酐改性复合材料的TEM图（3wt% MWCNTs）：(a) 0 wt%, (b) 10 wt% 和 (c) 30wt% BN, (d, e, f) 选区放大图。

图2. HDPE基体、填料和复合材料的FTIR光谱。

复合材料导热性能测试结果表明：三元复合材料由于其内部填料之间的协同作用而具有较高的导热系数，当BN和MWCNTs含量为30 wt% 和3 wt% 时，导热率为1.54 W.m^-1K^-1，相比于基体高262%。

图3. BN含量对复合材料 (a) 导热系数和 (b) 热增强因子的影响，(c) 复合材料表面温度随时间的变化情况，(d) 复合材料平面内传热的红外实时热成像；(e) 导热机理图。

流变结果表明，与二元复合材料相比，三元复合材料随着MWCNTs的加入，填料更容易互相搭接形成网络结构，因此储能模量的平台区域在低频区更为明显。同时观察到在单相基体复合材料中，储能模量平台对应Log数值与导热系数有明显的正相关线性关系，但其斜率受MWCNTs含量影响较大。

图4. 复合材料流变性能与导热性能的关系：(a) 储能模量，(b) 复合材料导热系数对比, (c) 复合材料的储能模量平台Log值与导热系数的关系, (d) 图(c)中斜率与MWCNTs含量的关系。

郑州大学橡塑模具国家工程研究中心的硕士研究生冯明杰是该论文的第一作者，通讯作者为刘宪虎博士。该研究得到了国家自然科学基金(51803190)、资源材料协同创新中心开放基金(Zycl202004)和国家重点研发计划(2019YFA0706802)的资金支持。

原文链接：M. Feng#, Y. Pan#, M. Zhang, Q. Gao, C. Liu, C. Shen, X. Liu*, Largely improved thermal conductivity of HDPE composites by building a 3D hybrid fillers network, Composites Science and Technology, 2021, 206, 108666. 

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2021.108666

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