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    面向空天飛行器的一種超輕導熱聚合物電介質材料
    2020-11-30  來源:高分子科技

      超高密度電子封裝及高電壓、大功率電氣絕緣技術的發展對所應用的聚合物材料越來越嚴苛的要求,絕緣場合散熱需求極大推動了導熱絕緣聚合物復合電介質材料的迅速發展。近年來導熱聚合物的研究取得很大的進展,進一步推動了其在微電子封裝、電機、動力汽車電池熱控制系統、太陽能、LED照明、換熱及高效散熱器件上的工業應用,但是目前導熱聚合物的熱導率的提高主要通過使用大量導熱粒子(不低于65wt%)在高熱阻的基體內構筑出促進聲子熱傳遞的路徑和通道來實現,而高填充帶來了很多明顯負面影響,如復合材料的絕緣電阻及介電強度顯著下降、介電常數及損耗升高,這嚴重影響和限制了其在面向5G應用的高頻基板,以及高壓大功率絕緣裝備上的應用。此外,還一定程度上造成了加工成型困難和力學性能劣化。因此,設計和制備低填充量下的高導熱聚合物復合材料具有重要研究和應用價值。


      面向航空、航天應用的材料的設計和制備首要考慮其質量,這是飛行器必須考慮和滿足的一個重要技術指標,因為減重意味著更快的航程和更快飛行速度。而目前傳統的填充型導熱聚合物很難直接應用于空天飛行器器件,因為設計對部件質量的嚴格要求使得傳統導熱聚合物復合材料的質量被限制在很小范圍內,而高填充導致的高密度導熱材料很難滿足實際設計和飛行要求。因此,設計和開發出具有輕質的高導熱聚合物復合材料顯得尤為重要。


      發泡技術是降低聚合物密度和質量的重要手段,但引入的空氣熱導率僅為聚合物的1/10,使得聚合物泡沫變成了絕熱材料。如何提高低密度泡沫聚合物的熱導率是制備輕質導熱聚合物的關鍵所在。基于此理念和實際需求,本研究設計和制備了一種具有多孔結構的氮化硼納米片(BNNSs)/交聯聚苯乙烯(c-PS)復合材料。借助于純水為起泡劑,在微泡形成過程產生的應力使得原本均勻分布在聚合物內的BNNSs在環形應力作用下在氣泡之間的泡壁內形成環形結構的取向分布,借助于泡空的形成及孔徑發展使得原本不相連接的BNNSs之間產生相互連接結構,最終基于發泡過程誘導的BNNSs構建的3D網絡為聲子傳遞鋪設了高速通道,如圖1所示。另一方面泡孔產生又降低熱導率,因此,復合體系的熱導率與BNNSs形成的網絡結構密切相關,而BNNSs的導熱通路的構建與發泡比、BNNSs用量、泡孔直徑及泡孔密度等因素相關,如圖2所示。本文研詳細研究了上述因素對多孔結構聚合物的熱導率的影響機理,進而討論了對介電常數及損耗因子的影響。研究結果表明基于泡孔結構的BNNSs/c-PS在最佳條件下呈現出高達1.28 W/m K的熱導率,遠高于同等填料用量下的未發泡體系的熱導率,該材料密度下降了接近1/2,圖3及圖4所示。


    圖1 多孔結構BNNSs/c-PS復合材料的制備工藝過程


    圖2 發泡比對BNNSs在c-PS中導熱網絡的構筑影響示意圖


    圖3 相場模擬不同發泡比例下材料的導熱能力


    圖4 BNNSs用量及發泡比對復合材料的密度、比熱導率的影響


      此外,該多孔結構復合材料呈現出明顯低于本體聚合物的超低介電常數及損耗,在寬頻內及玻璃化轉變溫度下保持了極佳的頻率及溫度穩定性,圖5所示。本研究設計和制作的超輕聚合物導熱復合材料以獨特的低密度、穩定的超低介電常數及損耗、高比熱導率等優勢在航空及航天電子器件及絕緣散熱場合顯示了重要的潛在應用價值。


    圖5 泡沫復合材料的的介電溫譜性能


      該研究以題為“Lightweight Porous Polystyrene with High Thermal Conductivity by Constructing 3D Interconnected Network of Boron Nitride Nanosheets”的論文發表在美國化學學會旗下著名刊物ACS Applied Materials and Interfaces, 2020,12,46767-46778上,西安科技大學先進電工材料研究中心周文英教授和美國賓夕法尼亞州立大學材料科學與工程系Qing Wang(王慶)教授分別為該文第一作者及通訊作者。


      原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c11543

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