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天工大包晨露團(tuán)隊(duì)《Energ. Convers. Manage.》/《Carbon》：超重力自組裝技術(shù)制備高導(dǎo)熱復(fù)合高分子材料
2022-12-15  來(lái)源：高分子科技

  隨著5G技術(shù)的日益成熟，微電子產(chǎn)品的散熱問(wèn)題成為一個(gè)亟待解決的難題。高效地解決這個(gè)難題的策略是制備高熱導(dǎo)率的導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料。目前，大多數(shù)報(bào)道文獻(xiàn)中，難以提出一種簡(jiǎn)單的、可靠的、低成本、有效的方式來(lái)制備高導(dǎo)熱的導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料。本文，天津工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院包晨露副教授團(tuán)隊(duì)研究開(kāi)發(fā)了一種超重力自組裝技術(shù)，用于制備不同類(lèi)型的高導(dǎo)熱復(fù)合高分子材料。相關(guān)成果，已發(fā)表在《Energy Conversion and Management》和《Carbon》上。天津工業(yè)大學(xué)博士生袁濤為論文第一作者，通訊作者為天津工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院包晨露副教授。


  前期工作發(fā)現(xiàn)，超重力自組裝技術(shù)能夠完全融入到高分子加工流程中（包括：原位聚合、熔融共混、溶液共混），并能夠取得大幅度地提升其導(dǎo)熱性能。


  超重力自組裝技術(shù)制備高導(dǎo)熱/導(dǎo)電的復(fù)合相變（PCM）材料（圖1）。該復(fù)合PCM材料的垂直熱導(dǎo)率達(dá)到17.0 W/mK，電導(dǎo)率也達(dá)到60.5 S/cm。復(fù)合PCM材料可以與熱電組件（Bi2Te3）組裝成可擴(kuò)展PCM基光熱電矩陣。其中，制備復(fù)合PCM材料能夠被當(dāng)作熱/電橋和穩(wěn)壓器。復(fù)合PCM基光熱電矩陣的輸出功率/功率密度分別達(dá)到7.13mW和6.34W/m2。同時(shí)，其輸出電壓波動(dòng)也被抑制了30%。


  超重力自組裝技術(shù)也可以制備低密度且高導(dǎo)熱/導(dǎo)電的聚乙烯醇復(fù)合材料（圖2-3）。通過(guò)超重力的振實(shí)效應(yīng)和失水的干縮效應(yīng)，促使該材料在低密度（0.28~0.64 g/cm3）下，熱導(dǎo)率可以達(dá)到2.42~8.45 W/mK，電導(dǎo)率也可以達(dá)到8.16~230.40 S/m。同時(shí)，該材料還具有良好機(jī)械可加工性、抗沖擊性能、抗老化性以及電磁屏蔽性能，可比肩于熱處理過(guò)的高性能碳泡沫。


圖1. （a）可擴(kuò)展復(fù)合PCM基光熱電矩陣搭建過(guò)程, （b）復(fù)合PCM基光熱電矩陣, （c）復(fù)合PCM基光熱電矩陣在模擬太陽(yáng)光下（1 sun）的溫度變化, 復(fù)合PCM基光熱電矩陣的（d）表面溫度、（e-f）輸出電壓、（f）輸出電流變化，（h-i）復(fù)合PCM基光熱電矩陣的穩(wěn)壓性能。


圖2.（a）超重力自組裝技術(shù)制備高導(dǎo)熱/導(dǎo)電的聚乙烯醇復(fù)合材料的流程, （b-d）聚乙烯醇復(fù)合材料截面形貌, （e-g）聚乙烯醇復(fù)合材料的局部結(jié)構(gòu), 聚乙烯醇復(fù)合材料的（h-i）Raman和（j）CT圖片。


圖3. 聚乙烯醇復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能, （a-d）熱導(dǎo)率的變化隨著密度、負(fù)載量和離心轉(zhuǎn)速變化, （e）熱導(dǎo)率的改善幅度, （f）熱導(dǎo)率-密度的統(tǒng)計(jì)圖, （g）熱導(dǎo)率穩(wěn)定性,（h）循環(huán)性和（i）集熱性能, （j）聚乙烯醇復(fù)合材料的導(dǎo)熱機(jī)理。
本文展示了一種新、可靠、高效且簡(jiǎn)單的復(fù)合高分子加工工藝-超重力自組裝技術(shù)。得益于超重力自組裝技術(shù)的振實(shí)效應(yīng)，復(fù)合高分子材料的熱導(dǎo)率/電導(dǎo)率得到大幅度提升，并開(kāi)拓高導(dǎo)熱/導(dǎo)電復(fù)合材料的在超級(jí)快充散熱/電磁屏蔽和光熱電矩陣的應(yīng)用。


  論文鏈接：

  https://doi.org/10.1016/j.coco.2022.101265

  https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.12.028

  https://doi.org/10.1016/j.enconman.2021.115079

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