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川大傅强教授团队和南理工吴凯博士AM:基于1D芳纶纳米纤维/2D氮化硼纳米片的高温热管理薄膜 | 刚性棒状ANF的桥梁作用
2020-01-17  来源:高分子科技

  聚合物热管理材料具有金属或陶瓷材料不可比拟的性能,比如易加工性、低密度、高柔韧性等。但是,聚合物较低的导热系数以及较差的高温耐受性(>200℃)极大地限制了其在高温环境下或者针对高功率电子器件的热管理应用。目前,研究者主要将精力集中在设计新型的聚合物/填料复合材料,主要通过优化导热填料的本征化学/物理结构、定构导热填料的三维网络等方式提高聚合物复合材料的导热性能。

  四川大学傅强教授研究的团队和南京理工大学的吴凯博士围绕上述问题提出了一系列提高聚合物复合材料导热性能的新方法:例如构筑贯穿双网络结构(Compos. Sci. Technol. 2016, 130, 28; Compos. Sci. Technol. 2017, 151, 193.)、设计隔离双网络结构(ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 7637;)、二维导热纳米片边缘选择性羟基化的策略(J. Mater. Chem. A 2018, 6, 11863; ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 30035; ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 40685.)等等。

图1. 基于刚性棒状ANF与BNNS构筑的导热通路示意图:BNNS-BNNS的连续网络相当于导热高速公路,刚性棒状ANF相当于导热桥梁。

  基于上述的研究结果,针对进一步提高热管理材料的导热性和高温耐受性,本文作者从聚合物本身的分子链结构出发,选择了具有刚性芳香环作为基本结构单元的线性大分子PPTA作为聚合物基体的基本构筑单元,通过自组装诱导一维PPTA纳米纤维(ANF)从蠕虫状向刚性棒状构型转变,并与边缘选择性羟基化的BNNS复合制备了一种具有超高导热系数、高温极其稳定的绝缘热管理薄膜。

图2. (a) 芳纶纤维,(b) 蠕虫状ANF和 (c) 刚性棒状ANF的电镜/显微镜照片;(d) ANF溶液的溶液流变性能;(e) ANF从蠕虫状向刚性棒状转变的示意图。

  由于刚性棒状ANF内分子链的缠结和扭曲较少,PPTA分子链可能以更规整、伸直的状态排列成完好的结晶结构,因此使ANF沿分子链方向的导热系数可以提高20倍以上。此外,紧密堆砌的ANF与BNNS之间由于良好的界面相互作用以及声子振动匹配也更有利于热流在1D/2D结构内良好地传递。因此,在BNNS含量仅为30wt%时,这种复合薄膜显示出了前所未有的高导热系数(46.7 W/m K),是相应蠕虫状ANF/BNNS复合薄膜的2.37倍。此外,这种高温极其稳定的热管理薄膜还具有低密度高热导28.9 W m-1 K-1/103 (kg m-3)、高强度(>100 MPa,450℃)等优点,使其能够在200℃以上对一些高温电极进行良好的热管理。本工作将有望拓宽有机高分子材料在高温电子封装或高功率散热器件的应用。

图3. (a) BNNS和ANF的模型示意图;(b) ANF和氮化硼的声子振动能谱;(c) 红外光谱证明ANF与BNNS的界面π-π相互作用;(d-f)分子动力学模拟计算ANF的导热系数。

  该工作发表在Advanced Materials (Adv. Mater. 2020, 1906939)上。论文的第一作者和通讯作者为南京理工大学化工学院吴凯博士,共同通讯作者为四川大学高分子科学与工程学院傅强教授以及澳大利亚迪肯大学Lei Weiwei博士。该工作得到了南京理工大学科研启动基金(AE89991/222)、国家自然科学基金(No. 51573102和No. 51421061)的大力支持。

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