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  玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料（GFRP）具有輕質(zhì)高強(qiáng)，優(yōu)異的電絕緣、抗疲勞&耐腐蝕性能，加工成型簡便和生成效率高，以及材料可設(shè)計(jì)性，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，日益成為國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)中無可替代的重要材料。然而，玻璃纖維布（GFs）表面活性官能團(tuán)少，和環(huán)氧樹脂基體間的界面相容性差，嚴(yán)重影響GFRP的力學(xué)性能，尤其是層間剪切強(qiáng)度（ILSS）。此外，GFRP具有較低的面間熱導(dǎo)率（λ_┴），也阻礙其成為大型導(dǎo)熱/結(jié)構(gòu)一體化制件發(fā)展的瓶頸問題。因此，研究開發(fā)高導(dǎo)熱、電絕緣且力學(xué)性能優(yōu)異的GFRP，在改善構(gòu)件導(dǎo)/散熱問題同時(shí)，一定程度延長使用壽命，對大功率電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子和絕緣槽等相關(guān)領(lǐng)域材料的設(shè)計(jì)和拓展具有重要的理論指導(dǎo)和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

  西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院顧軍渭教授“結(jié)構(gòu)/功能高分子復(fù)合材料（SFPC）”課題組采用聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA）和聚丙烯酸鈉（PAAS）分別對球形微米氮化硼（BNN-30）和氮化硼納米片（BNNS）進(jìn)行表面功能化改性，通過“靜電自主裝”法制備異質(zhì)結(jié)構(gòu)BNN-30@BNNS導(dǎo)熱填料，并以正硅酸乙酯（TEOS）和γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（KH-560）為原料合成的硅溶膠（Si-sol）對玻璃纖維布（GFs）進(jìn)行表面功能化改性（Si-GFs），采用“涂覆-鋪層-模壓”工藝制備BNN-30@BNNS/Si-GFs/環(huán)氧樹脂（E-44）層壓導(dǎo)熱復(fù)合材料。研究結(jié)果表明BNN-30和BNNS表面功能化改性成功，并成功制備出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的異質(zhì)結(jié)構(gòu)BNN-30@BNNS-Ⅲ導(dǎo)熱填料（fBNN-30與fBNNS質(zhì)量比為1：2）。當(dāng)BNN-30@BNNS-III用量為15 wt%時(shí)，BNN-30@BNNS-III/E-44導(dǎo)熱復(fù)合材料的λ達(dá)到0.61 W m^-1K^-1，為純E-44的λ（0.22 W m^-1K^-1）提高2.8倍，且優(yōu)于相同用量（15 wt%）的BNN-30/E-44（0.56 W m^-1K^-1）、BNNS/E-44（0.42 W m^-1K^-1）和（BNN-30/BNNS）/E-44（BNN-30/BNNS簡單共混，1/2，wt/wt，0.49 W m^-1K^-1）導(dǎo)熱復(fù)合材料。BNN-30@BNNS-III/Si-GFs/E-44層壓導(dǎo)熱復(fù)合材料具有最優(yōu)的綜合性能。其λ_//和λ_┴分別為2.75 W m^-1K^-1和1.32 W m^-1K^-1，較Si-GFs/E-44層壓復(fù)合材料的λ_//（0.96 W m^-1K^-1）和λ_┴（0.46 W m^-1K^-1）分別提升186%和187%，也約為純E-44 λ（λ_//=λ_┴，0.22 W m^-1K^-1）的12.5倍和6.0倍。采用COMSOL Multiphysics軟件建立的仿真模型能較好地模擬BNN-30@BNNS-III/Si-GFs/E-44層壓導(dǎo)熱復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)過程。局部點(diǎn)加熱情況下，BNN-30@BNNS-III的引入有利于加快熱流傳遞。BNN-30@BNNS-III/Si-GFs/E-44層壓導(dǎo)熱復(fù)合材料還具有良好的電絕緣性能（垂直層向耐壓值、擊穿強(qiáng)度、表面電阻率和體積電阻率分別為51.3 kV、23.8 kV mm^-1、3.7×10¹⁴ Ω和3.4×10¹⁴ Ω·cm）、介電性能（介電常數(shù)ε和介電損耗角正切值tanδ分別為4.92和0.008），理想的力學(xué)性能（彎曲強(qiáng)度和ILSS分別為401.0 MPa和22.3 MPa）以及優(yōu)異的熱穩(wěn)定性能（耐熱指數(shù)T_HRI為199.2℃）。

圖1 BNN-30@BNNS/Si-GFs/E-44層壓導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料的制備流程示意圖

圖2 環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱復(fù)合材料的λ（a）和15 wt%導(dǎo)熱填料用量的環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱復(fù)合材料紅外熱成像圖（b）、BNN-30/E-44（c）和BNN-30@BNNS-Ⅲ/E-44導(dǎo)熱復(fù)合材料（d）的斷面SEM圖及導(dǎo)熱機(jī)理示意圖（c’、d’）

圖3 BNN-30@BNNS-Ⅲ/Si-GFs/E-44層壓導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料面內(nèi)熱導(dǎo)率λ_//（a）和面間熱導(dǎo)率λ_┴（a’）；加熱時(shí)間和溫度影響曲線（b、c）和紅外熱成像圖片（b’、c’）

圖4 COMSOL軟件仿真的點(diǎn)熱源情況下層壓復(fù)合材料面內(nèi)（a）和面間（b）傳熱過程熱成像圖、面內(nèi)（c）和面間（d）溫度變化黑色標(biāo)記點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化曲線

  該研究成果以“Improvement of thermal conductivities and simulation model for glass fabrics reinforced epoxy laminated composites via introducing hetero-structured BNN-30@BNNS fillers”為題近日發(fā)表于Journal of Materials Science & Technology上。第一作者為西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院史學(xué)濤副教授和2018級碩士研究生張睿涵，通訊作者是西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院顧軍渭教授。本研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（51773169和51973173）、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目-重點(diǎn)項(xiàng)目（2019B1515120093）、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)計(jì)劃杰出青年基金項(xiàng)目（2019JC-11）、高分子電磁功能材料陜西省“三秦學(xué)者”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以及西北工業(yè)大學(xué)分析測試中心的資助和支持。

  論文信息：Xuetao Shi^#, Ruihan Zhang^#, Kunpeng Ruan, Tengbo Ma, Yongqiang Guo and Junwei Gu*. Improvement of thermal conductivities and simulation model for glass fabrics reinforced epoxy laminated composites via introducing hetero-structured BNN-30@BNNS fillers. Journal of Materials Science & Technology, 2021, 10.1016/j.jmst.2021.01.018. 2019IF=6.155.（1區(qū)材料科學(xué)Top期刊，中國科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選項(xiàng)目-重點(diǎn)期刊類項(xiàng)目）

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.01.018

作者簡介：

史學(xué)濤，博士，副教授，碩導(dǎo)。研究領(lǐng)域?yàn)樯锟山到饩埘サ慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能提升和納米復(fù)合功能化（導(dǎo)熱、電磁屏蔽等）。現(xiàn)就職于西北工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，任西北工業(yè)大學(xué)倫敦瑪麗女王大學(xué)工程學(xué)院高分子材料與工程系主任、化學(xué)與化工學(xué)院化學(xué)與化工實(shí)驗(yàn)中心副主任。主持完成國家自然科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基金、航天科學(xué)技術(shù)基金等多項(xiàng)國家級/省部級課題。近年來以第一作者或通訊作者在Biomacromolecules, Compos Part A-Appl S, Chem Eng J等期刊發(fā)表SCI論文30余篇（3篇論文入選ESI高被引論文）。

張睿涵，中共黨員，陜西西安人，2018級碩士研究生（推薦免試）。2018年在廣西大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，同年加入顧軍渭教授SFPC課題組攻讀碩士學(xué)位。主要從事玻璃纖維的表面功能化改性及其玻璃纖維/環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備和內(nèi)稟機(jī)制研究。獲第五屆“光威杯”中國復(fù)合材料學(xué)會(huì)大學(xué)生科技創(chuàng)新競賽全國特等獎(jiǎng)（全國唯一）；2019~2020學(xué)年“柯盛新材”（碩新）專項(xiàng)獎(jiǎng)學(xué)金。參與國家自然科學(xué)基金1項(xiàng)、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)計(jì)劃杰出青年基金項(xiàng)目1項(xiàng)。以第一作者在J Mater Sci Technol和Chinese J Polym Sci上發(fā)表學(xué)術(shù)論文2篇；參與國內(nèi)會(huì)議2次；公開國家發(fā)明專利1件。

顧軍渭，教授/博導(dǎo)、陜西省杰出青年科學(xué)基金獲得者、高分子電磁功能材料陜西省“三秦學(xué)者”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)核心人員（排名第2）�，F(xiàn)任化學(xué)與化工學(xué)院副院長、陜西省高分子科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、無人系統(tǒng)技術(shù)研究院智能材料與結(jié)構(gòu)研究所所長；兼任中國復(fù)合材料學(xué)會(huì)導(dǎo)熱復(fù)合材料專業(yè)委員會(huì)常務(wù)副主任、中國化學(xué)會(huì)高級會(huì)員、英國皇家化學(xué)會(huì)會(huì)員等。主要從事功能高分子復(fù)合材料（導(dǎo)熱、電磁屏蔽、吸聲等）和纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（透波、耐燒蝕等）的結(jié)構(gòu)/功能一體化設(shè)計(jì)制備及加工研究工作。獲高等學(xué)�？茖W(xué)研究優(yōu)秀成果獎(jiǎng)（技術(shù)發(fā)明）二等獎(jiǎng)（排名第2）。主持國家自然科學(xué)基金（3項(xiàng)），GFJSJC科研項(xiàng)目、基礎(chǔ)JQ計(jì)劃技術(shù)領(lǐng)域基金項(xiàng)目、JP配套項(xiàng)目、LJ專項(xiàng)國家級項(xiàng)目4項(xiàng)；陜西省杰出青年科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金重點(diǎn)項(xiàng)目和裝備科研計(jì)劃項(xiàng)目等省部級項(xiàng)目13項(xiàng)。以第一作者或通訊作者在ACS Nano，Sci Bull和Compos Sci Technol等期刊發(fā)表SCI論文100余篇（ESI熱點(diǎn)論文29篇、ESI高被引論文43篇），SCI引用7700余次（H-index為55）。3篇論文入選2018、2019年“中國百篇最具影響國際學(xué)術(shù)論文”；21篇論文單篇引用次數(shù)超過100次。授權(quán)、公開國家發(fā)明專利40余件。做國際學(xué)術(shù)會(huì)議大會(huì)報(bào)告/邀請報(bào)告10余次；擔(dān)任第十二屆亞澳復(fù)合材料會(huì)議（ACCM-12）、第十一屆亞澳復(fù)合材料會(huì)議（ACCM-11）、2019第四屆中國國際復(fù)合材料科技大會(huì)（CCCM-4）、2019年全國高分子學(xué)術(shù)論文報(bào)告會(huì)等10余個(gè)國際/國內(nèi)會(huì)議共同主席和分會(huì)主席等；擔(dān)任Advan Compos Hybrid Mater、Mater New Horiz副主編，Eng Sci執(zhí)行主編，Composites Part B, Compos Commun, Sci Progress和Chinese J Aeronaut等期刊編委。主持陜西省高等教育學(xué)會(huì)“疫情防控專項(xiàng)研究課題（重點(diǎn)項(xiàng)目）”、西北工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程等6項(xiàng)教學(xué)研究課題，參編Wiley出版社專著1部、高等學(xué)校規(guī)劃教材1部，發(fā)表教學(xué)教改論文5篇。