中國粉體網(wǎng)訊 在現(xiàn)代集成電子和電信領(lǐng)域，具有高導(dǎo)熱和優(yōu)異電絕緣性能的熱管理材料備受關(guān)注。通過添加絕緣導(dǎo)熱填料可以在保持復(fù)合材料電絕緣性能的同時提升導(dǎo)熱性能，但提高程度有限。高導(dǎo)電導(dǎo)熱的碳系填料對于提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能至關(guān)重要。然而，它們較大的電導(dǎo)率通常又會導(dǎo)致復(fù)合材料電絕緣性能的下降。目前的研究重點(diǎn)是在碳系填料表面引入無機(jī)絕緣層，但是也會降低碳系填料的本征熱導(dǎo)率。因此，在不對碳填料進(jìn)行表面改性的情況下制備絕緣導(dǎo)熱復(fù)合材料仍然是一項巨大的挑戰(zhàn)。
近日，四川大學(xué)吳宏教授和郭少云教授團(tuán)隊在國際碳材料頂級期刊《Carbon》上，發(fā)表了最新研究成果“Constructing Interconnected Network of MWCNT and BNNS in Electrospun TPU films: Achieving Excellent Thermal Conduction Yet Electrical Insulation Properties”。研究者通過靜電紡絲、靜電噴涂和疊壓成型工藝，在熱塑性聚氨酯（TPU）復(fù)合膜中構(gòu)筑了多壁碳納米管@氮化硼納米顆粒（MWCNT@BNNS）的三維互連網(wǎng)絡(luò)（圖1）。
圖1：TPU/5MWCNT@BNNS復(fù)合膜的制備過程。
從圖2a可以看出，純TPU纖維表面光滑且結(jié)構(gòu)完整。當(dāng)添加MWCNT到TPU時，TPU/5MWCNT復(fù)合纖維的表面變得粗糙，而且可以看到有部分MWCNT裸露在纖維表面。通過TEM進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，在靜電紡絲強(qiáng)拉伸力場的作用下，MWCNT沿著復(fù)合纖維軸向方向發(fā)生取向，這樣能夠發(fā)揮出MWCNT的本征導(dǎo)熱作用。
通過靜電噴涂工藝將BNNS分散液負(fù)載在TPU/5MWCNT復(fù)合纖維的三維骨架表面。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)BNNS含量為10 wt%時，TPU/5MWCNT纖維表面上的BNNS是互相分離的。隨著BNNS含量的增加，BNNS在纖維的表面緊密互連，而且它的排列就像動物的鱗片一樣重疊，形成了較為完善的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。此外，經(jīng)過疊壓過后可以進(jìn)一步增大BNNS之間的接觸面積，使得三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)變得更加致密。從圖2i中可以看出，復(fù)合膜經(jīng)過彎折后而沒有被破壞，表明復(fù)合膜具有優(yōu)異的柔性。
圖2：TPU/5MWCNT@BNNS復(fù)合膜的形貌結(jié)構(gòu)。
如圖3a-b所示，TPU復(fù)合膜的面內(nèi)熱導(dǎo)率和面外熱導(dǎo)率隨BNNS含量的增加而增加。與純TPU膜相比，TPU/5MWCNT@40BNNS復(fù)合膜的面內(nèi)熱導(dǎo)率高達(dá)9.9 W/(m·K)，顯示出1461%的增強(qiáng)效率。另外，在相同的BNNS含量下，TPU/5MWCNT@BNNS復(fù)合膜的熱導(dǎo)率高于TPU@BNNS復(fù)合膜，這主要是因為MWCNT在復(fù)合纖維內(nèi)部構(gòu)筑了聲子傳輸通道，而且部分MWCNT與復(fù)合纖維表面的BNNS搭接，形成了更加密實的三維互連導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。
圖3：TPU/5MWCNT@BNNS復(fù)合膜的導(dǎo)熱性能。
圖4a顯示了TPU@BNNS復(fù)合膜和TPU/5MWCNT@BNNS復(fù)合膜的體積電阻率。由于MWCNT是沿著TPU復(fù)合纖維的軸向方向排列并主要束縛在復(fù)合纖維內(nèi)部，MWCNT的加入對TPU/5MWCNT@BNNS復(fù)合膜的體積電阻率影響很小。此外，TPU@BNNS復(fù)合膜的體積電阻率高于TPU/5MWCNT@BNNS復(fù)合膜，這是因為MWCNT將不可避免地提高復(fù)合膜的導(dǎo)電性能。盡管如此，所有TPU復(fù)合膜的體積電阻率都大于1011 Ω·cm，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了絕緣材料的標(biāo)準(zhǔn)（109 Ω·cm）。此外，將TPU/5MWCNT@40BNNS復(fù)合膜集成在直流電源和LED燈泡之間時，通電后未發(fā)現(xiàn)LED燈泡變亮，從而直觀地證明了TPU/5MWCNT@40BNNS復(fù)合膜優(yōu)異的電絕緣性能。
圖4：TPU/5MWCNT@BNNS復(fù)合膜的電絕緣性能。
原論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622323009363
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長蘇）
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