近年來(lái)，隨著高度集成和小型化電子器件的發(fā)展，聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料可以消散操作過(guò)程中電氣元件產(chǎn)生的熱量，同時(shí)具有易加工、質(zhì)輕、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。然而，聚合物基體本身導(dǎo)熱性能較差，這將嚴(yán)重限制其在高產(chǎn)熱設(shè)備中的應(yīng)用。提高聚合物導(dǎo)熱能力最簡(jiǎn)單可行的方法是添加導(dǎo)熱填料，但單一填料對(duì)其含量要求過(guò)高，這勢(shì)必會(huì)對(duì)復(fù)合材料在加工和性能方面產(chǎn)生消極影響。混合多維的填料網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，可以很好的解決這一難題，實(shí)現(xiàn)在較低填料含量下復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的大幅提升，然而，我們必須思考出有效的對(duì)策來(lái)確保填料與基體間較強(qiáng)的界面結(jié)合，及其在聚合物中較好的分散。
鄭州大學(xué)橡塑模具國(guó)家工程中心申長(zhǎng)雨院士和劉春太教授團(tuán)隊(duì)的劉憲虎博士課題組利用高密度聚乙烯接枝馬來(lái)酸酐作（HDPE-g-MAH）為基體（HDPE）改性劑，通過(guò)簡(jiǎn)單熔融共混氮化硼（BN）和羥基化多壁碳納米管(MWCNTs)，成功制備出三元復(fù)合材料（MHDPE/BN/MWCNTs），其具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，機(jī)械性能，熱性能和有效的電磁屏蔽性能等，并發(fā)現(xiàn)了復(fù)合材料中導(dǎo)熱性能與流變性能之間的線(xiàn)性關(guān)系。工作以“Largely improved thermal conductivity of HDPE composites by building a 3D hybrid fillers network”為題發(fā)表在在國(guó)際復(fù)合材料Top期刊Composites Science and Technology上。
為了表明HDPE-g-MAH對(duì)HDPE基體的成功改性，以及填料與基體間較強(qiáng)的界面結(jié)合和均勻的分散狀態(tài)，他們利用TEM和FTIR對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行表征，結(jié)果表明HDPE-g-MAH對(duì)基體改性是成功的，填料在基體中分散均勻，同時(shí)，借助加工的高溫條件，填料表面的極性基團(tuán)（羥基，氨基）可與馬來(lái)酸酐熱降解產(chǎn)生的羧基進(jìn)行酯化反應(yīng)，進(jìn)而增強(qiáng)界面結(jié)合力。
圖1. 聚乙烯接枝馬來(lái)酸酐改性復(fù)合材料的TEM圖（3wt% MWCNTs）：(a) 0 wt%， (b) 10 wt% 和 (c) 30wt% BN， (d， e， f) 選區(qū)放大圖。
圖2. HDPE基體、填料和復(fù)合材料的FTIR光譜。
復(fù)合材料導(dǎo)熱性能測(cè)試結(jié)果表明：三元復(fù)合材料由于其內(nèi)部填料之間的協(xié)同作用而具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，當(dāng)BN和MWCNTs含量為30 wt% 和3 wt% 時(shí)，導(dǎo)熱率為1.54 W.m-1K-1，相比于基體高262%。
圖3. BN含量對(duì)復(fù)合材料 (a) 導(dǎo)熱系數(shù)和 (b) 熱增強(qiáng)因子的影響，(c) 復(fù)合材料表面溫度隨時(shí)間的變化情況，(d) 復(fù)合材料平面內(nèi)傳熱的紅外實(shí)時(shí)熱成像；(e) 導(dǎo)熱機(jī)理圖。
流變結(jié)果表明，與二元復(fù)合材料相比，三元復(fù)合材料隨著MWCNTs的加入，填料更容易互相搭接形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此儲(chǔ)能模量的平臺(tái)區(qū)域在低頻區(qū)更為明顯。同時(shí)觀(guān)察到在單相基體復(fù)合材料中，儲(chǔ)能模量平臺(tái)對(duì)應(yīng)Log數(shù)值與導(dǎo)熱系數(shù)有明顯的正相關(guān)線(xiàn)性關(guān)系，但其斜率受MWCNTs含量影響較大
圖4. 復(fù)合材料流變性能與導(dǎo)熱性能的關(guān)系：(a) 儲(chǔ)能模量，(b) 復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)比， (c) 復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量平臺(tái)Log值與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系， (d) 圖(c)中斜率與MWCNTs含量的關(guān)系。
來(lái)源：高分子科技
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