在低填充下實現聚合物絕緣材料導熱系數的高效增強

12月19日,上海交通大學江平開教授團隊在國際著名材料期刊《Advanced Functional Materials》上發表文章《Cellulose Nanofiber Supported 3D Interconnected BN Nanosheets for Epoxy Nanocomposites with Ultrahigh Thermal Management Capability》,報道瞭團隊利用超薄氮化硼納米片(BNNS)構築三維導熱氣凝膠結構的方法,成功在低填充下實現聚合物絕緣材料導熱系數的高效增強的成果。該團隊多年來致力於導熱絕緣材料的應用基礎研究,這是2013年以來第二次在《Advanced Functional Materials》發表導熱絕緣領域的論文,這一成果也標志著在標志著其在導熱絕緣聚合物材料研究領域取得瞭重要進展。

在低填充下實現聚合物絕緣材料導熱系數的高效增強

絕緣材料的重要性

絕緣材料是電力設備及電子器件不可或缺的基本組成部分,相當程度上決定瞭電力設備及電子器件的技術水平。

當前存在問題

當前,電力設備與電子器件朝著集成化、高功率化等方向發展,其運行、工作過程中會產生大量熱量,若這些熱量不能被高效傳遞出去,會嚴重影響設備及器件的工作可靠性和使用壽命。聚合物在電力設備及電子器件中被廣泛用作絕緣材料,但大部分聚合物材料導熱系數低,嚴重制約瞭各種設備熱管理能力的提升。為解決這一問題,傳統的方式是通過在聚合物中添加大量無機導熱填料增強材料的導熱系數、提高熱管理能力。但這一方法在滿足提高熱管理能力的同時,會犧牲聚合物材料的絕緣性能、機械性能及加工性能。因此,在低填充下實現高效熱管理能力是導熱絕緣材料研究中的一大挑戰。

在低填充下實現聚合物絕緣材料導熱系數的高效增強

解決方法

江平開教授團隊首先使用纖維素納米纖維作為支持模板,通過溶膠凝膠法與真空冷凍幹燥技術制備三維互聯的氮化硼納米片氣凝膠,然後澆註環氧樹脂獲得得到納米復合絕緣材料。

研究結果

測試結果顯示,該材料在低氮化硼納米片含量(僅9.6 vol%)下,導熱系數相比普通環氧樹脂提高約14倍,是現有報道中聚合物絕緣材料導熱增強效率的新紀錄,而更重要的,這種材料同時保持瞭環氧樹脂的優異絕緣性能,其體積電阻率達1015Ω·cm。使用紅外熱像儀觀察到該納米復合絕緣材料具有比常規納米復合材料快的多熱響應速率,說明其在熱管理方面具有很好的應用前景。

分析認為,這種納米復合材料的優異性能得益於多層氮化硼納米片本身的高導熱率(可達360Wm-1K-1)和高絕緣性。

在低填充下實現聚合物絕緣材料導熱系數的高效增強

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