三維網絡填料增強複合材料導熱性能的研究進展

隨著電子設備的不斷發展,先進熱管理材料已成為關鍵因素。其中,導熱聚合物複合材料為研究重點之一，建構三維導熱填料網絡結構是提高聚合物複合材料導熱性能的主要方法之一。這種方法能顯著改善複合材料的導熱性能。

本文對這種基於三維導熱填料網路結構的複合材料導熱性能增強方法進行了詳細的分類總結。透過不同類型的三維導熱填料網絡結構的分析,為進一步優化複合材料的導熱性能提供了理論基礎。

研究團隊從聚合物導熱性能的增強機制出發,分析了目前常用於提高聚合物導熱係數的方案。重點聚焦於高導熱填料增強聚合物基複合材料,詳細介紹了常見填料的導熱係數等相關參數和優缺點。

基於導熱複合材料的研究現狀,文章總結了三種常見的增強複合材料導熱係數的方案:改善填料與基體之間的界面接觸、發揮不同填料之間的"協同作用"、在基體內部構建三維導熱填料網絡。

由於"在聚合物基體內部構建三維導熱填料網絡結構"是目前最常見的研究方法,文章對此進行了詳細的分類總結。主要分為四種不同的製備想法,並分析了不同製備過程對導熱聚合物複合材料性能改善的多樣性。

基於三維導熱網絡所建構的多樣化製備方法

不同的製備過程為導熱聚合物複合材料的研究和應用提供了多樣性和靈活性。本文聚焦於三維導熱網路結構的建構方法,對此類增強策略進行了詳盡的分類總結。

主要包括四種製備方法:自組裝法、相分離法、模板法、取向分佈法。下表(來自原論文)概括了本文涉及的相關複合材料參數資料,為讀者提供更直觀的資訊。

透過對不同製備製程的分析,本文闡明了構建三維導熱網絡在提升聚合物複合材料導熱性能方面的多樣性和靈活性,為進一步優化和應用該類複合材料提供了依據。

自組裝法

自組裝法是一種常見的方式。在該方法中,導熱填料在溶劑中通過靜電力、氫鍵等分子間作用力自發聚集形成 3D 網狀結構,從而獲得三維導熱填料網絡。其中,最常見的實施方式是水熱還原法。片狀填料更易於聚集形成多孔網絡結構,因此這種方法中通常會涉及片狀填料的使用。

相分離法

相分離法是一種重要的製備方法。在這種方法中,通過熱壓、析出等手段,在相界面聚集高導熱填料,並形成相互連接的導熱通路。相分離法不需要預先將填料構築成三維導熱網絡,而是先在聚合物基體內部填充導熱填料,然後再採取各種方式使填料互連。

但是,在聚合物基體中引入相界面可能會影響複合材料的其他性能。因此,如何在提高導熱性能的同時,最小化對其他性能的影響,是相分離法需要進一步解決的問題。

模板法

模板法是另一種繁雜的製備方法。在這種方法中,在三維多孔模板的基礎上構築三維導熱填料網絡。常見的模板包括冰模板、鹽模板、泡沫模板以及 3D 列印模板等。

模板法與取向分佈法存在重疊部分,如果採用定向生長的方式構建模板,也可以歸類為取向分佈法的一種。

模板法能夠在固有的模板基礎上構建三維導熱網絡,可以製備出具有精確結構的導熱複合材料。所獲得的複合材料導熱係數較高,是一種比較理想的三維導熱網絡構建方法。

但模板法受材料多樣性的限制,工藝流程相對複雜,產品性能也不太穩定,不太容易進行工業化生產。這些缺點仍需要進一步解決。

取向分佈法

這種方法利用過濾、定向冷凍、磁場等手段,使片狀或柱狀的導熱填料保持取向分佈,從而製備出導熱性能增強且具有各向異性的複合材料。

其中,過濾的方式可以將多個薄層或片材堆疊在一起,形成三維網絡結構。利用冰晶生長或抽濾的方式控制填料取向分佈,是一種十分巧妙的製備三維導熱網絡的方式,而且成本較低。

一般來說,取向分佈法要求填料為片狀或柱狀,才能達到取向分佈的效果,難以實現高度定製化。但它非常適合氮化硼、石墨烯、碳纖維等材料。

内容來源：複合材料學報