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西工大顧軍渭/阮坤鵬團隊 Angew:本征高導熱液晶聚二甲基硅氧烷熱界面材料
2025-01-22  來源:高分子科技

  聚二甲基硅氧烷(PDMS)質地柔軟,能緊密地貼合在電子器件表面,顯著降低因微觀空氣間隙導致的接觸熱阻,且兼具優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、柔韌性和電絕緣性能,在熱界面材料(TIMs)中占據(jù)重要地位。然而,PDMS分子鏈較長且自由體積較大,微觀結構中存在大量鏈纏結和晶格缺陷,導致分子振動與晶格振動不協(xié)調,產(chǎn)生嚴重的聲子散射,使其本征導熱系數(shù)(λ)較低,僅約0.20 W/(m·K)。


  在大分子鏈上接枝液晶基元有利于PDMS本征導熱性能的提升,但PDMS主鏈穩(wěn)定性過高,不易發(fā)生反應,導致液晶基元的接枝密度過低,其本征導熱性能提升有限。


  據(jù)此,西北工業(yè)大學化學與化工學院顧軍渭教授團隊提出通過液晶環(huán)硅氧烷與八甲基環(huán)四硅氧烷開環(huán)共聚在PDMS上高效引入液晶基元、提升液晶基元接枝密度,進而提高PDMS本征導熱性能的新策略。


  2025年1月20日,相關研究成果以“Liquid Crystal-Engineered Polysiloxanes: Enhancing Intrinsic Thermal Conductivity through High Grafting Density of Mesogens”為題發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition期刊上(Angewandte Chemie International Edition, 2025, 10.1002/anie.202500173)。西北工業(yè)大學化學與化工學院博士生張海天為第一作者,顧軍渭教授和阮坤鵬副教授為共同通訊作者。


  首先通過非穩(wěn)態(tài)分子動力學模擬(NEMD)研究液晶基元接枝密度與液晶聚二甲基硅氧烷(LC-PDMS)本征導熱性能的內在聯(lián)系。并以模擬結果為導向,基于開環(huán)共聚法成功制備了本征高導熱LC-PDMS。當LC-PDMS分子鏈上液晶基元接枝密度達到77.4%時,其本征λ高達0.56 W/(m·K),較通用PDMS0.20 W/(m·K))提升了180.0%。該類LC-PDMS還兼具低介電常數(shù)(ε,2.69)和介電損耗角正切值(tanδ,0.0027)、高絕緣性能(體積電阻率高達3.51×1013 Ω·cm)、優(yōu)異熱穩(wěn)定性(耐熱指數(shù)高達217.8oC)和出色疏水性(水的接觸角高達137.4o)。


1 LC-PDMS的非穩(wěn)態(tài)分子動力學模擬建模過程及模擬結果


2 LC-PDMS的合成示意圖(a、開環(huán)聚合機理(b、核磁共振譜圖及其局部放大圖(c, c’、分子量分布曲線(d)和相對分子質量(e


3 LC-PDMSDSC曲線(a、POM照片(b1~f3)、WAXRD譜圖(g)和SAXRD譜圖(h


4 LC-PDMS的導熱性能和實際應用測試


LC-PDMS的介電性能(a~c)、絕緣性能(d)和熱性能(e, f


  此研究工作得到國家自然科學基金、陜西省重點研發(fā)計劃、陜西省科技創(chuàng)新團隊和重慶市自然科學基金等基金項目的資助支持。


  論文信息:

  Haitian Zhang, Yongqiang Guo, Yizhi Zhao, Qiuyu Zhu, Mukun He, Hua Guo, Xuetao Shi, Kunpeng Ruan*, Jie Kong and Junwei Gu*. Liquid Crystal-Engineered Polydimethylsiloxane: Enhancing Intrinsic Thermal Conductivity through High Grafting Density of Mesogens. Angewandte Chemie International Edition, 2025, 10.1002/anie.202500173. (2023IF=16.1)

  論文網(wǎng)址:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202500173


作者簡介:

阮坤鵬,西北工業(yè)大學化學與化工學院副教授、碩士生導師。主要從事熱管理高分子及其復合材料的設計制備及內稟機理研究。任中國復合材料學會導熱復合材料專業(yè)委員會委員。入選2023、2024科睿唯安全球高被引科學家2024年度西北工業(yè)大學翱翔新星。獲陜西省自然科學獎二等獎(5/5)。主持航空科學基金1項。以第一和/或通訊作者在Angew Chem Int EdMacromoleculesCompos Sci Technol等期刊發(fā)表SCI論文13篇。參編《Thermally Conductive Polymer Composites》英文專著1。授權國家發(fā)明專利3件。任Soft ScienceInformation & Functional Materials期刊青年編委。



顧軍渭,西北工業(yè)大學化學與化工學院院長,教授、博導,國家級領軍人才、陜西省杰出青年科學基金獲得者、陜西省科技創(chuàng)新團隊帶頭人。當選英國皇家化學會Fellow,英國材料、礦物與礦業(yè)學會Fellow,英國皇家航空學會Fellow。連續(xù)入選科睿唯安全球高被引科學家、愛思唯爾中國高被引學者,F(xiàn)任中國復合材料學會副秘書長/理事/人才評價工作委員會主任/導熱復合材料專業(yè)委員會常務副主任、陜西省高分子科學與技術重點實驗室副主任。主要從事功能高分子復合材料纖維增強先進樹脂基復合材料的設計制備及成型加工研究。以第一/第二完成人獲中國輕工業(yè)聯(lián)合會技術發(fā)明獎一等獎、陜西省自然科學獎二等獎、教育部技術發(fā)明獎二等獎等省部級科研獎勵5項。獲國際聚合物加工學會Morand Lambla Award(莫然達-拉姆伯拉成就獎,每屆全球1名)、中國復合材料學會青年科學家獎、中國化學會高分子創(chuàng)新論文獎(2次)、高分子成型加工及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展新銳創(chuàng)新獎主持國家自然科學基金聯(lián)合基金重點項目等省部級及以上項目30余項。以第一和/或通訊作者在Angew Chem Int EdAdv MaterSci Bull等期刊發(fā)表學術論文200余篇。主/參編英文專著4部。授權國家發(fā)明專利35件。任Compos Sci Technol、Nano-Micro Lett、高分子通報等多個期刊副主編、編委。

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(責任編輯:xu)
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