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    西工大顧軍渭教授《Mater. Today Phys.》: 復合材料導熱網絡研究取得新進展
    2021-06-11  來源:高分子科技

      導熱填料形成的導熱網絡對提升其復合材料的導熱性能至關重要。一般認為,導熱復合材料的導熱系數(λ)隨導熱網絡的完善而逐漸提高。目前,關于復合材料導熱網絡的研究主要集中在三個方面:導熱網絡何時形成、如何形成,以及導熱網絡對導熱性能的提升機理。導熱網絡何時形成主要涉及導熱網絡形成時的臨界體積計算,主要與導熱填料的幾何形狀和尺寸有關,一般隨其長徑比的增加而減小。如何形成導熱網絡主要涉及導熱網絡的設計構筑,包括設計異質結構導熱填料以促進填料的彼此搭接,預制導熱填料連續搭接骨架形成多維導熱通路,以及加工驅動導熱填料的取向排列等。在導熱網絡促進導熱性能提升機理方面,一般認為導熱填料形成的導熱網絡降低了導熱填料間的界面熱阻,增加了聲子傳輸的通道,同時減少了因填料-基體界面不匹配造成的聲子散射。


      但目前鮮有報道導熱網絡中導熱填料通路的數量、長短、貫穿方式及其分布等對復合材料導熱性能影響的研究,以及導熱網絡形成后,復合材料的導熱系數隨導熱填料用量的繼續增加又會呈現什么樣的變化等問題也有待進一步明晰。因此,設計構筑結構、密度、分布可控的導熱網絡,從多角度研究其對復合材料導熱性能的影響,對豐富完善導熱復合材料的導熱機理并指導其實際生產具有重要的理論意義和實際應用價值。


      西北工業大學化學與化工學院顧軍渭教授“結構/功能高分子復合材料”(SFPC)課題組以液氮瞬冷造粒技術制備出不同粒徑的石蠟球,采用微融覆法在石蠟球表面包覆石墨(旨在石蠟相界面間構筑可控的石墨導熱網絡),進而結合熱壓工藝制備石墨/石蠟導熱復合材料。通過改變石蠟球的粒徑控制導熱網絡的疏密,通過改變石墨的用量控制導熱網絡的形成與完善過程,通過對石墨/石蠟導熱復合材料表面打磨拋光、分割重組等方法控制導熱網絡的分布及完整性;并創新性地提出“導熱網絡密度”概念來解釋不同石墨/石蠟導熱復合材料之間的λ差異。結合導熱系數測試結果和紅外熱成像的溫度梯度圖像,深入探析石蠟相界面間石墨-石墨導熱網絡的形成過程,及其導熱網絡的疏密、分布、完整性等對石墨/石蠟導熱復合材料導熱性能的影響。


      研究結果表明,在相同石墨用量和模壓壓力下,石墨/石蠟導熱復合材料的導熱網絡密度具有最佳值(此時呈現最佳的導熱性能)。相同粒徑石蠟球的石墨/石蠟導熱復合材料的λ隨導熱網絡密度的增加而提高,但提升速率逐漸平緩。當石墨用量為10 wt%、模壓壓力為200 MPa、石蠟球粒徑為2.08±0.08 mm時,石墨/石蠟導熱復合材料具有最佳的λ(1.81 W/(m·K)),遠高于相同石墨用量和模壓壓力制備的自由分散狀態的石墨/石蠟導熱復合材料的λ(0.79 W/(m·K))。石墨/石蠟導熱復合材料表面的打磨處理(破壞導熱網絡的完整性)會使其λ大幅下降(最大λ僅為1.13 W/(m·K))。將具有導熱網絡和自由分散狀態的石墨/石蠟導熱復合材料通過分割、重組的方式改變其導熱網絡分布,重組后石墨/石蠟復合材料的λ隨分割、重組次數增加而降低(最小λ僅為0.85 W/(m·K))。總體而言,導熱網絡密度越高、導熱網絡分布越均勻、導熱網絡越完整,石墨/石蠟導熱復合材料的導熱性能越好。


    圖1 石墨/石蠟導熱復合材料的制備示意圖(a),石蠟球(b-e)和石蠟球@石墨(b’-e’),石蠟球粒徑分布(b’’-e’’)


    圖2 石墨用量(a-a’’’)、模壓壓力(b-b’’’)、粒徑大小(c-c’’’)對石墨/石蠟復合材料導熱性能的影響


    圖3 具有導熱網絡和自由分散狀態的石墨/石蠟導熱復合材料導熱性能的差異


    圖4 導熱網絡完整性對石墨/石蠟復合材料導熱性能的影響


    圖5 導熱網絡分布對石墨/石蠟復合材料導熱性能的影響


      本工作近期以“Controllable thermal conductivity in composites by constructing thermal conduction networks”為題發表于Materials Today Physics(2021, 20: 100449)上。西北工業大學化學與化工學院2018級博士研究生郭永強和2019級博士研究生阮坤鵬為本文的共同第一作者,顧軍渭教授為通訊作者。本研究工作得到了國家自然科學基金(51773169和51973173)、XXX重點項目(高導熱非金屬材料)、陜西省自然科學基礎計劃杰出青年基金項目(2019JC-11)、西北工業大學博士論文創新基金(CX202055)以及高分子電磁功能材料陜西省“三秦學者”創新團隊的資助和支持。


      論文信息Yongqiang Guo#, Kunpeng Ruan#, and Junwei Gu*. Controllable thermal conductivity in composites by constructing thermal conduction networks. Materials Today Physics, 2021, 20: 100449. 10.1016/j.mtphys.2021.100449.

      原文鏈接https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2021.100449


    作者簡介:

      郭永強,男,河南平輿人,2018級博士研究生(提前攻博)。2016年在西北工業大學獲學士學位,同年保送顧軍渭教授SFPC課題組攻讀碩士學位,并于2018年提前攻讀博士學位,師從顧軍渭教授。主要從事基于靜電紡絲技術的聚酰亞胺導熱復合材料制備及內稟機理研究。獲陜西省第四屆研究生創新成果展評獎理科二等獎;2019年全國高分子學術論文報告會最佳墻報獎;第四屆西南地區高分子及復合材料學術研討會優秀墻報獎;2016~2017學年、20172018學年、2018~2019學年研究生國家獎學金;獲2019年西北工業大學研究生學術之星、優秀研究生標兵稱號;獲2020吳亞軍專項獎學金。主持西北工業大學博士論文創新基金(在研)和研究生創新創意種子基金(良好結題)各1項,參與國家自然科學基金2項、XXX計劃技術領域基金項目1項,陜西省自然科學基金、航天科學技術基金和航空科學基金等省部級基金項目4項。授權、公開國家發明專利8件。在Mater Today PhysCompos Sci TechnolACS Appl Mater Interfaces等高水平學術期刊發表第一作者SCI論文10篇,SCI引用2400余次(WOS H-index23),入選第一作者ESI熱點論文5篇、高被引論文7篇);發表在J Mater Chem C2018, 6: 3004)和Compos Part B-Eng2019, 164: 732)上的兩篇論文分別入選2018年、2019中國百篇最具影響國際學術論文,發表在J Mater Chem C2019, 7: 7035)上的論文入選2019 Journal of Materials Chemistry C Most Popular Articles;參加國際學術會議4次并作口頭報告、參加國內學術會議8次。


      阮坤鵬,男,江蘇揚州人,2019級博士研究生(本科直博)。2019年在西北工業大學獲學士學位,同年加入顧軍渭教授SFPC課題組攻讀博士學位,師從顧軍渭教授。主要從事本征型高導熱聚酰亞胺及其復合膜的結構設計、性能調控及機理研究。參與XXX重點項目1項、廣東省基礎與應用基礎研究基金重點項目1項。申請、公開國家發明專利3件。在MacromoleculesNano-Micro LettCompos Sci Technol等高水平學術期刊發表第一作者SCI論文8篇,SCI引用1170余次(WOS H-index11),參加國內學術會議4次。


     

      顧軍渭,浙江上虞人,西北工業大學化學與化工學院教授、博導,入選英國皇家化學會Fellow、英國材料學會Fellow、世界排名前2‰科學家2020,斯坦福大學發布)、陜西省杰青、陜西省三秦學者創新團隊。現任化學與化工學院副院長;任陜西省高分子科學與技術重點實驗室副主任、無人系統研究院智能材料與結構研究所所長;任中國復合材料學會導熱復合材料專業委員會常務副主任、中國化學會高級會員等。主要從事功能高分子復合材料(導熱、電磁屏蔽等)和纖維增強先進樹脂基復合材料(透波、耐燒蝕等)的功能/結構一體化設計制備及加工研究工作。獲2020年度高等學校科學研究優秀成果獎(科學技術)技術發明二等獎(排名2/6)和第四屆中國復合材料學會青年科學家獎。授權、公開中國、美國發明專利40余件。主持國家自然科學基金、XXX重點項目等國家和省部級重大科技項目20余項。以第一作者和/或通訊作者在Sci BullMacromoleculesCompos Sci Technol等期刊發表論文100余篇,SCI引用9400余次(WOS H-index60)。3篇論文入選20182019中國百篇最具影響國際學術論文1篇論文入選2020材料領域10大高被引論文。任第十一屆亞澳復合材料會議、第四屆中國國際復合材料科技大會和2019全國高分子學術論文報告會等12個重要國際國內學術會議分會主席、副秘書長等。任J Mater Sci TechnolAdv Compos Hybrid Mater副主編Nano-Micro LettMater Today PhysNano ResComposites Part BCompos CommunChinese J Aeronaut(航空學報英文版)等編委。

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