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一、背景及研究意義

       隨著科技的飛速發(fā)展，電子設(shè)備、新能源等領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿囊笤絹?lái)越高。特別是對(duì)于兼具高機(jī)械強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性以及自熄特性的聚合物復(fù)合材料，其市場(chǎng)需求日益旺盛。然而，傳統(tǒng)聚合物復(fù)合材料在導(dǎo)熱性能、機(jī)械性能和阻燃性能方面存在一定的局限性。為了滿足這些領(lǐng)域的需求，研究人員一直在尋找一種既能保持良好機(jī)械性能，又能實(shí)現(xiàn)高效導(dǎo)熱和自熄特性的復(fù)合材料。

       近年來(lái)，球形氧化鋁作為一種優(yōu)異的導(dǎo)熱填料，因其高導(dǎo)熱性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及較低的成本而備受關(guān)注。然而，如何制備出一種兼具高機(jī)械強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性及自熄特性的球形氧化鋁復(fù)合材料，仍然是材料科學(xué)領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。本文將詳細(xì)介紹同濟(jì)大學(xué)邱軍教授、中國(guó)藥科大學(xué)周湘副教授、南開大學(xué)Zhao Weiqiang團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域取得的最新研究成果。

二、研究挑戰(zhàn)及解決方案

高導(dǎo)熱性與機(jī)械性能的矛盾

為實(shí)現(xiàn)聚合物復(fù)合材料的高導(dǎo)熱性，通常需要加入大量導(dǎo)熱粉體。然而，這會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的機(jī)械性能、柔韌性和加工性大幅下降。為解決這一問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)采用了以下策略：

（1）選用具有高導(dǎo)熱性的球形氧化鋁作為填料，以提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。

（2）通過(guò)功能化改性，提高球形氧化鋁與聚合物基體的相容性，降低界面熱阻。

（3）采用獨(dú)特的多刺結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)填料與基質(zhì)的連接，提高復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度。

界面熱阻問(wèn)題

填料與聚合物基體之間的界面熱阻是影響復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵因素。為降低界面熱阻，研究團(tuán)隊(duì)采取了以下措施：

（1）對(duì)球形氧化鋁進(jìn)行表面改性，提高其與聚合物基體的結(jié)合力。

（2）采用樹皮狀結(jié)構(gòu)，促使功能顆粒實(shí)現(xiàn)有效互連，優(yōu)化復(fù)合材料內(nèi)部的協(xié)同作用。

阻燃性能的提升

為實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的自熄特性，研究團(tuán)隊(duì)采用了以下方法：

（1）引入具有阻燃性能的有機(jī)磷酸酯，賦予復(fù)合材料自熄性能。

（2）通過(guò)多刺結(jié)構(gòu)，防止有機(jī)磷酸酯的自聚合，提高復(fù)合材料的阻燃性能。

三、研究成果及性能展示

研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出一種兼具高機(jī)械強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性及自熄特性的球形氧化鋁復(fù)合材料。該材料具有以下優(yōu)點(diǎn)：

抗拉強(qiáng)度達(dá)到15.9 MPa，具有良好的機(jī)械性能。

導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)2.51 W·m?1·K?1，為高功率CPU提供了持續(xù)高效的散熱解決方案。

具有自熄性能，提高了材料的安全性能。

密度低、可獲取性強(qiáng)、環(huán)境友好，符合全球發(fā)展戰(zhàn)略。

四、應(yīng)用前景

這種新型球形氧化鋁復(fù)合材料在電子、新能源等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

高功率電子設(shè)備散熱：可作為高性能散熱材料，應(yīng)用于CPU、LED等高功率電子設(shè)備的散熱。

新能源領(lǐng)域：可用于制備鋰電池隔膜、超級(jí)電容器電極等材料，提高能量存儲(chǔ)設(shè)備的性能。

航空航天：可作為輕質(zhì)、高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料，應(yīng)用于航空航天器的制造。

其他領(lǐng)域：還可應(yīng)用于汽車、建筑、化工等領(lǐng)域，具有巨大的市場(chǎng)潛力。

     這種兼具高機(jī)械強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性及自熄特性的球形氧化鋁復(fù)合材料，為我國(guó)材料科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展提供了有力支持，有望推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的科技進(jìn)步。

相關(guān)研究成果已以“Cocklebur-Inspired Robust Non-flammable Polymer Thermo Conductor for CPU Cooling”為題，發(fā)表于《Small》期刊。