中國粉體網訊 在現(xiàn)代集成電子和電信領域，具有高導熱和優(yōu)異電絕緣性能的熱管理材料備受關注。通過添加絕緣導熱填料可以在保持復合材料電絕緣性能的同時提升導熱性能，但提高程度有限。高導電導熱的碳系填料對于提高復合材料的導熱性能至關重要。然而，它們較大的電導率通常又會導致復合材料電絕緣性能的下降。目前的研究重點是在碳系填料表面引入無機絕緣層，但是也會降低碳系填料的本征熱導率。因此，在不對碳填料進行表面改性的情況下制備絕緣導熱復合材料仍然是一項巨大的挑戰(zhàn)。
近日，四川大學吳宏教授和郭少云教授團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）復合膜中構筑了多壁碳納米管@氮化硼納米顆粒（MWCNT@BNNS）的三維互連網絡（圖1）。
圖1：TPU/5MWCNT@BNNS復合膜的制備過程。
從圖2a可以看出，純TPU纖維表面光滑且結構完整。當添加MWCNT到TPU時，TPU/5MWCNT復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進一步觀察發(fā)現(xiàn)，在靜電紡絲強拉伸力場的作用下，MWCNT沿著復合纖維軸向方向發(fā)生取向，這樣能夠發(fā)揮出MWCNT的本征導熱作用。
通過靜電噴涂工藝將BNNS分散液負載在TPU/5MWCNT復合纖維的三維骨架表面。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當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熱網絡。此外，經過疊壓過后可以進一步增大BNNS之間的接觸面積，使得三維導熱網絡變得更加致密。從圖2i中可以看出，復合膜經過彎折后而沒有被破壞，表明復合膜具有優(yōu)異的柔性。
圖2：TPU/5MWCNT@BNNS復合膜的形貌結構。
如圖3a-b所示，TPU復合膜的面內熱導率和面外熱導率隨BNNS含量的增加而增加。與純TPU膜相比，TPU/5MWCNT@40BNNS復合膜的面內熱導率高達9.9 W/(m·K)，顯示出1461%的增強效率。另外，在相同的BNNS含量下，TPU/5MWCNT@BNNS復合膜的熱導率高于TPU@BNNS復合膜，這主要是因為MWCNT在復合纖維內部構筑了聲子傳輸通道，而且部分MWCNT與復合纖維表面的BNNS搭接，形成了更加密實的三維互連導熱網絡。
圖3：TPU/5MWCNT@BNNS復合膜的導熱性能。
圖4a顯示了TPU@BNNS復合膜和TPU/5MWCNT@BNNS復合膜的體積電阻率。由于MWCNT是沿著TPU復合纖維的軸向方向排列并主要束縛在復合纖維內部，MWCNT的加入對TPU/5MWCNT@BNNS復合膜的體積電阻率影響很小。此外，TPU@BNNS復合膜的體積電阻率高于TPU/5MWCNT@BNNS復合膜，這是因為MWCNT將不可避免地提高復合膜的導電性能。盡管如此，所有TPU復合膜的體積電阻率都大于1011 Ω·cm，這遠遠超出了絕緣材料的標準（109 Ω·cm）。此外，將TPU/5MWCNT@40BNNS復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復合膜優(yōu)異的電絕緣性能。
圖4：TPU/5MWCNT@BNNS復合膜的電絕緣性能。
原論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622323009363
（中國粉體網編輯整理/長蘇）
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