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    上海大學丁鵬研究員課題組《Chem. Mater.》:智能熱管理材料研究進展
    2019-09-04  來源:高分子科技

      電子、通信等領域的快速發展對器件的熱管理性能提出越來越高的要求,傳統導熱材料已經漸漸不能滿足這些日益提升的應用需求,具有主動熱管理能力的智能導熱材料成為相應的解決方案之一。

      上海大學納米科學與技術研究中心丁鵬研究員團隊開發出熱響應性的導熱材料,通過材料自身結構設計實現了材料在特定溫度條件下觸發的主動熱響應行為,將其應用于電子器件上表現出主動散熱的智能熱管理效果。

      基于可調控的強共價鍵作為永久交聯網絡,氫鍵作為可犧牲和可恢復的交聯網絡組成雙交聯氮化硼網絡(dual-cross-linked boron nitride framework)(圖1)。結合可相變的聚乙二醇,制備了熱響應聚合物復合材料。通過密度泛函理論(DFT)以及分子動力學模擬(MD)計算模擬了不同比例的羥基化氮化硼(BNNSs-OH)和聚乙烯醇(PVA)之間所成氫鍵鍵能以及所成氫鍵個數,對雙交聯網絡進行了調控(圖2a)。結果表明,BNF(B1P1.5)具有良好的彈性(圖2b)和較高的抗壓強度(0.04 MPa)。此外,對導熱網絡進行了優化設計,得到了具有良好導熱性能和傳熱性能的聚乙二醇/氮化硼/雙交聯網絡熱響應聚合物復合材料。得到的熱響應聚合物復合材料具有良好的散熱性能(ΔTmax=10 °C),同時能夠通過自身形狀的變化顯示器件溫度的變化。這一研究工作通過材料結構設計和性能調控促進了多功能導熱復合材料的發展。(Chem. Mater., DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b02551)

    圖1. 雙交聯氮化硼網絡示意圖和分子結構示意圖。a) BNNSs-OH和BDGE之間的共價鍵相互作用;b) PVA和BNNSs-OH之間的氫鍵相互作用。

    圖2. a) 計算模擬不同比例的BNNSs-OH和PVA的BNF的結構幾何形狀;b) BNF在彎曲和壓縮過程中的圖片。

      同時,通過溶劑蒸發法制備了石墨烯/聚乙二醇/納米纖維素復合薄膜(圖3a)。在自然力驅動下,石墨烯取向排列形成有效的導熱通路,使得復合薄膜的導熱率有顯著的提升;通過雙層結構的構筑進一步優化了導熱通路,在石墨烯含量為30 wt%時,將復合薄膜的面內導熱系數進一步提升到21.8 W·m-1·K-1(圖3b)。將處于花苞狀態(臨時形狀)的薄膜置于LED背面作為散熱材料(圖4a),當LED溫度高于60 °C時,花苞狀的復合薄膜開始展開至原有的花朵形狀(永久形狀),這一主動的過程不僅可作為LED溫度達到一定程度的一種可視化現象,同時延緩了LED的升溫過程(圖4b, c),起到了主動散熱的效果,顯示出復合薄膜在智能熱管理領域的潛在應用前景。(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 33, 30352-30359)

    圖3.溶劑蒸發法制備雙層復合薄膜,復合薄膜的面內導熱系數及與其他導熱高分子復合材料導熱系數的對比。

    圖4. 復合薄膜作為主動散熱材料應用于LED器件散熱。

      上述研究工作通過熱響應形狀記憶高分子材料的使用賦予導熱材料智能化,得到了具有主動散熱能力的智能材料,并探究了其中導熱通路的構建及相互作用對復合材料導熱性能的影響,對智能熱管理材料的開發有著啟示作用。該工作得到上海市優秀技術帶頭人計劃(No.17XD1424400)、國家自然科學基金項目(No.51703122)的資助。

    參考文獻:

      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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