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  隨著電子元器件的高功率化、高密度化和高集成化以及特高壓直流輸電遠(yuǎn)距離、低損耗和大容量的迅猛發(fā)展，日益突出的散熱問(wèn)題已成為阻礙大功率電子元器件、超大規(guī)模和超高速集成電路，以及特高壓輸電設(shè)備乃至整個(gè)電子、電氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。為了保障電子元器件和特高壓輸電設(shè)備用材料在工作環(huán)境溫度下運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，需使用高導(dǎo)熱材料，迅速有效地將積聚的熱量傳遞和釋放出去，延長(zhǎng)電子元器件和特高壓輸電設(shè)備的使用壽命。同時(shí)還希冀導(dǎo)熱材料具有輕質(zhì)、優(yōu)異力學(xué)性能和易加工成型等綜合特性，以便降低電子元器件和特高壓輸電設(shè)備的整體重量，同時(shí)保證使用的安全可靠性、批量生產(chǎn)效率和批次穩(wěn)定性。

  聚合物本體導(dǎo)熱系數(shù)λ低（λ在0.18～0.44 W/mK之間），無(wú)法適應(yīng)高功率化、高密度化和高集成化電子元器件以及特高壓輸電設(shè)備高效快速的散熱要求。因此，研究開(kāi)發(fā)高導(dǎo)熱且力學(xué)性能優(yōu)異的聚合物基復(fù)合材料對(duì)特高壓電氣設(shè)備、半導(dǎo)體和電子、電氣相關(guān)領(lǐng)域材料的設(shè)計(jì)和拓展具有迫切的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

  為了提高聚合物基體的導(dǎo)熱性能，近年來(lái)，西北工業(yè)大學(xué)顧軍渭教授課題組通過(guò)在聚合物樹(shù)脂基體中填充單一或混雜高導(dǎo)熱金屬或無(wú)機(jī)填料，經(jīng)熔融、溶液或粉末共混復(fù)合制備了一系列聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料（Compos Sci Technol, 2017, 139: 83-89；Composites Part A, 2017, 92: 27-32；Composites Part A, 2017, 95: 267-273；Nanoscale, 2016, 8: 19984-19993；RSC Adv, 2015, 5: 36334-36339；RSC Adv, 2014, 4: 22101-22105）。并通過(guò)界面分子學(xué)設(shè)計(jì)，借助特定的界面聚合物層（圖1）有效降低了導(dǎo)熱填料/聚合物樹(shù)脂基體兩相界面熱阻，進(jìn)一步提升聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，初步解決了由于兩相界面熱障引起的聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料導(dǎo)熱性能提升不佳的技術(shù)問(wèn)題（Composites Part A, 2017, 101: 237-242；Int J Heat Mass Tran, 2016, 92: 15-22；RSC Adv, 2016, 6: 35809-35814；Composites Part A, 2015, 78: 95-101）。

圖1 納米氮化硼（nBN）的表面功能化改性

  此外，課題組設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)“原位聚合-靜電紡絲-高溫模壓”制備聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料技術(shù)（圖2），突破了傳統(tǒng)聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備方法，實(shí)現(xiàn)了低用量碳化硅（Composites Part A, 2015, 79: 8-13）、氮化硼（Composites Part A, 2017, 94: 209-216）和石墨烯（J Mater Chem C, 2018, 6: 3004-3015）等導(dǎo)熱填料下聚合物樹(shù)脂基體內(nèi)導(dǎo)熱通路或?qū)峋W(wǎng)絡(luò)的高效形成，有望解決現(xiàn)有常規(guī)制備加工方法難以兼顧聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料高導(dǎo)熱和優(yōu)異力學(xué)性能的技術(shù)瓶頸問(wèn)題。

圖2 “原位聚合-靜電紡絲-高溫模壓”法制備改性石墨烯/聚酰亞胺納米導(dǎo)熱復(fù)合材料

  在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，課題組前期提出“導(dǎo)熱逾滲”行為對(duì)聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的快速提升起著極其重要的作用（Polym Compos, 2014, 35: 1087-1092），發(fā)展了現(xiàn)有聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱機(jī)理；基于傳統(tǒng)的“并聯(lián)”模型和“串聯(lián)”模型，課題組建立了氮化硼/改性氰酸酯導(dǎo)熱復(fù)合材料的優(yōu)化導(dǎo)熱方程（Composites Part A, 2018, 107: 570-578），其對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)λ的擬合效果明顯優(yōu)于經(jīng)典的導(dǎo)熱模型（Maxwell和Russell模型等）；最近，課題組還基于有效介質(zhì)理論和熱量守恒，綜合考慮諸多影響因素（導(dǎo)熱填料厚度、幾何因子、取向分布和體積分?jǐn)?shù)；導(dǎo)熱填料和聚合物基體間的界面熱障及界面層厚度，導(dǎo)熱填料和聚合物基體本體的導(dǎo)熱系數(shù)），課題組建立了一個(gè)更適用于改性石墨烯/聚酰亞胺導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱方程（方程1），該方程有望用于計(jì)算各向異性聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料的有效導(dǎo)熱系數(shù)。

（方程1）

  文于近期以“Significantly Enhanced and Precisely Modeled Thermal Conductivity in Polyimide Nanocomposites by Chemically Modified Graphene via in-situ Polymerization and Electrospinning-hot press Technology”為題發(fā)表（J  Mater Chem C, 2018, 6: 3004-3015），第一作者為碩士生郭永強(qiáng)。本研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（51773169、51403175）和中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（LSL-1715）的資助。

  論文鏈接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/tc/c8tc00452h