静电纺丝技术增强金刚石纳米片/聚合物复合膜的热导率

来源 | ACS Applied Nano Materials

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背景介绍

 

随着电子设备的逐步升级，电子元器件也发生了质的飞跃。它们体积小型化，功能多样化，功率越来越大，这必然会导致热量集中，甚至缩短设备寿命，造成设备故障。聚合物具有轻质、电绝缘、柔韧性等优良性能，能够满足柔性电子新技术发展的需要。然而，聚合物的低固有热导率限制了它们在电子领域的应用为满足散热需求，通常在聚合物中加入填料，以增强聚合物复合材料的导热性。

传统混合方法得到的复合材料不仅填料在聚合物中的分布无序，当填料含量较低时不能形成导热网络，而且增加了聚合物基体与填料之间的界面热阻。利用功能化填料降低填料/衬底界面处的热阻是近年来的研究热点，但该方法的实际应用受到填料状态和加工方法的影响。因此，寻找一种有效的方法来提高低填料负载下聚合物复合材料的热导率仍然是一个具有挑战性的课题。

 

静电纺丝技术不仅操作简单，而且对纤维的直径、形态和性质的控制效果好。但是，简单的单轴静电纺丝在构建特定结构方面存在局限性，并且难以在低分子量或无纠缠的聚合物溶液中形成纤维。然而，目前很少有研究通过不同喷嘴结构的静电纺丝来构建独特的结构，从而提高复合材料的导热性能。静电纺丝技术因其在构建连续纳米纤维方面的独特优势而受到广泛关注。

 

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成果掠影

近期，桂林理工大学陆绍荣教授和中科院宁波材料与工程技术研究所虞锦洪研究员近期在开发高热导率的热管理材料取得新进展。提出采用单轴静电纺丝和同轴静电纺丝的方法，制备了不同微观形貌的单轴聚乙烯醇/纳米金刚石片(U-PVA/ND)和同轴聚乙烯醇/纳米金刚石片(C-PVA/ND)复合纤维薄膜。这两种方法都不需要复杂的预处理程序和引入多余的添加剂。结果表明，ND含量为60 wt %的U-PVA/ND和C-PVA/ND复合纤维的导热系数分别为71.3和85.3 W/(mK)，分别是纯PVA纤维膜的171.2和205.1倍。此外，C-PVA/ND复合纤维膜的最高热分解温度和体积电阻率分别为364.3℃和2.29 × 1015 Ω·cm，表明复合纤维膜具有良好的热稳定性和电绝缘性。实验结果为静电纺丝技术制备高导热复合材料提供了有力的证据。因此，导热薄膜可以作为电子元件的外层，加速其散热，延长其使用寿命。研究成果以“Enhanced Thermal Conductivity of Nanodiamond Nanosheets/Polymer Nanofiber Composite Films by Uniaxial and Coaxial Electrospinning: Implications for Thermal Management of Nanodevices”为题发表于《ACS Applied Nano Materials》。

 

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图文导读

图1.静电纺丝复合纤维流程图：(a)单轴静电纺丝和(b)同轴静电纺丝。

 

图2.金刚石的微观形貌和结构表征。

图3.不同ND含量条件下复合纤维的形貌。

 

图4.复合薄膜的导热性能。

 

 

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审核编辑 黄宇