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上海大学丁鹏研究员课题组《Chem. Mater.》:智能热管理材料研究进展
2019-09-04  来源:高分子科技

  电子、通信等领域的快速发展对器件的热管理性能提出越来越高的要求,传统导热材料已经渐渐不能满足这些日益提升的应用需求,具有主动热管理能力的智能导热材料成为相应的解决方案之一。

  上海大学纳米科学与技术研究中心丁鹏研究员团队开发出热响应性的导热材料,通过材料自身结构设计实现了材料在特定温度条件下触发的主动热响应行为,将其应用于电子器件上表现出主动散热的智能热管理效果。

  基于可调控的强共价键作为永久交联网络,氢键作为可牺牲和可恢复的交联网络组成双交联氮化硼网络(dual-cross-linked boron nitride framework)(图1)。结合可相变的聚乙二醇,制备了热响应聚合物复合材料。通过密度泛函理论(DFT)以及分子动力学模拟(MD)计算模拟了不同比例的羟基化氮化硼(BNNSs-OH)和聚乙烯醇(PVA)之间所成氢键键能以及所成氢键个数,对双交联网络进行了调控(图2a)。结果表明,BNF(B1P1.5)具有良好的弹性(图2b)和较高的抗压强度(0.04 MPa)。此外,对导热网络进行了优化设计,得到了具有良好导热性能和传热性能的聚乙二醇/氮化硼/双交联网络热响应聚合物复合材料。得到的热响应聚合物复合材料具有良好的散热性能(ΔTmax=10 °C),同时能够通过自身形状的变化显示器件温度的变化。这一研究工作通过材料结构设计和性能调控促进了多功能导热复合材料的发展。(Chem. Mater., DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b02551)

图1. 双交联氮化硼网络示意图和分子结构示意图。a) BNNSs-OH和BDGE之间的共价键相互作用;b) PVA和BNNSs-OH之间的氢键相互作用。

图2. a) 计算模拟不同比例的BNNSs-OH和PVA的BNF的结构几何形状;b) BNF在弯曲和压缩过程中的图片。

  同时,通过溶剂蒸发法制备了石墨烯/聚乙二醇/纳米纤维素复合薄膜(图3a)。在自然力驱动下,石墨烯取向排列形成有效的导热通路,使得复合薄膜的导热率有显著的提升;通过双层结构的构筑进一步优化了导热通路,在石墨烯含量为30 wt%时,将复合薄膜的面内导热系数进一步提升到21.8 W·m-1·K-1(图3b)。将处于花苞状态(临时形状)的薄膜置于LED背面作为散热材料(图4a),当LED温度高于60 °C时,花苞状的复合薄膜开始展开至原有的花朵形状(永久形状),这一主动的过程不仅可作为LED温度达到一定程度的一种可视化现象,同时延缓了LED的升温过程(图4b, c),起到了主动散热的效果,显示出复合薄膜在智能热管理领域的潜在应用前景。(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 33, 30352-30359)

图3.溶剂蒸发法制备双层复合薄膜,复合薄膜的面内导热系数及与其他导热高分子复合材料导热系数的对比。

图4. 复合薄膜作为主动散热材料应用于LED器件散热。

  上述研究工作通过热响应形状记忆高分子材料的使用赋予导热材料智能化,得到了具有主动散热能力的智能材料,并探究了其中导热通路的构建及相互作用对复合材料导热性能的影响,对智能热管理材料的开发有着启示作用。该工作得到上海市优秀技术带头人计划(No.17XD1424400)、国家自然科学基金项目(No.51703122)的资助。

参考文献:

  Fang Jiang, Siqi Cui, Chompoonut Rungnim, Na Song, Liyi Shi, and Peng Ding*, Control of a Dual-Cross-Linked Boron Nitride Framework and the Optimized Design of the Thermal Conductive Network for Its Thermoresponsive Polymeric Composites。 Chem。 Mater。 (第一作者:江芳)

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.9b02551

  Siqi Cui, Fang Jiang, Na Song, Liyi Shi, Peng Ding*, Flexible Films for Smart Thermal Management: Influence of Structure Construction of a Two-Dimensional Graphene Network on Active Heat Dissipation Response Behavior。 ACS Appl。 Mater。 Interfaces 2019, 11, 33, 30352-30359 (第一作者:崔思奇)

  https://pubs。acs。org/doi/10。1021/acsami。9b10538

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