來源 | Composites Science and Technology

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背景介紹

熱管理在現代工業和技術中發揮著越來越重要的作用，導熱材料已成為眾多電子產品和大型設備(包括能源設備、航天飛行器等)不可或缺的一部分。大多數金屬和陶瓷一般都是理想的導熱體，這可以分別歸因于電子熱傳導和相對完美的晶格振動。聚合物良好的可加工性和電絕緣性能使其在熱管理中不可或缺，但其隨機盤繞的共價分子鏈會產生強烈的聲子散射，由此產生的低導熱系數極大地限制了其在散熱中的應用。

通過提高分子鏈的結晶度和有序度，聚乙烯纖維、聚乙烯薄膜、聚乙烯氧化物纖維和聚苯并二惡唑纖維獲得了優異的導熱系數。這為輕質、可加工和絕緣導熱材料開辟了兩個新思路。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)以其優異的力學性能、低密度、良好的耐化學性、高耐磨性等特點而備受關注。最近的研究已經擴大了在熱管理中使用聚乙烯的可能性。

超高分子量聚乙烯纖維具有較高的導熱系數和優良的絕緣性能，非常適合在電絕緣領域發展為導熱材料。目前，絕緣導熱材料主要是填充導熱填料，然而在高填充量下面臨導熱系數惡化、密度高、可加工性差等棘手問題。利用超高分子量聚乙烯纖維開發全聚合物復合材料有望解決上述問題。但目前很少有研究對超高分子量聚乙烯纖維復合材料的導熱系數進行研究，導熱系數大于10 W/mK的超高分子量聚乙烯復合材料更是罕見。

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成果掠影

近期，北京大學白樹林教授在開發具有高導熱和電絕緣性能的聚合物復合材料取得新成果。

針對開發具有優異機械性能、電絕緣、高導熱的全聚合物復合材料，通過熱壓法制備了種具有（0°/90°、±45°）兩種取向結構的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維/環氧樹脂復合材料。發現±45°復合材料的面內導熱系數約為0/90°復合材料的1.3~1.4倍，并通過有限元模擬和模型計算驗證了相應的機理。

UHMWPE纖維形成的導熱通道使0/90°和±45°復合材料的面內導熱系數分別為9.94和13.61 W/mK。通過在纖維表面沉積聚多巴胺(PDA)和枝接聚醚胺(PEA)，改善了纖維/環氧樹脂界面的層間剪切強度(ILSS)和剪切模量分別提高了40.7%和52.3%。同時，實現了更高的面內導熱系數，高達15.76 W/mK。這項工作揭示了超高分子量聚乙烯纖維在散熱方面的巨大潛力，并為電子產品熱管理的提供了強有力的候選材料。

研究成果以“Lightweight, electrical insulating, and high thermally conductive all-polymer composites with reinforced interfaces”為題發表于《Composites Science and Technology》。

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圖文導讀

圖1.材料的制備流程示意圖。

圖2.UHMWPE的表面形貌和結構示意圖。

圖3.超高分子量聚乙烯/環氧復合材料的截面SEM圖。

圖4.復合材料的機械性能。

圖5.復合材料的熱導率、傳熱機理以及與不同文獻熱導率的對比。

圖6.材料的有限元模型和穩態面內熱傳導示意圖。

圖7.復合材料在實際應用中的熱管理性能。

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審核編輯黃宇