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天工大包晨露團(tuán)隊(duì)《Energ. Convers. Manage.》/《Carbon》:超重力自組裝技術(shù)制備高導(dǎo)熱復(fù)合高分子材料
2022-12-15  來源:高分子科技

  隨著5G技術(shù)的日益成熟,微電子產(chǎn)品的散熱問題成為一個(gè)亟待解決的難題。高效地解決這個(gè)難題的策略是制備高熱導(dǎo)率的導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料。目前,大多數(shù)報(bào)道文獻(xiàn)中,難以提出一種簡(jiǎn)單的、可靠的、低成本、有效的方式來制備高導(dǎo)熱的導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料。本文,天津工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院包晨露副教授團(tuán)隊(duì)研究開發(fā)了一種超重力自組裝技術(shù),用于制備不同類型的高導(dǎo)熱復(fù)合高分子材料。相關(guān)成果,已發(fā)表在《Energy Conversion and Management》和《Carbon》上。天津工業(yè)大學(xué)博士生袁濤為論文第一作者,通訊作者為天津工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院包晨露副教授。


  前期工作發(fā)現(xiàn),超重力自組裝技術(shù)能夠完全融入到高分子加工流程中(包括:原位聚合、熔融共混、溶液共混),并能夠取得大幅度地提升其導(dǎo)熱性能。


  超重力自組裝技術(shù)制備高導(dǎo)熱/導(dǎo)電的復(fù)合相變(PCM)材料(圖1)。該復(fù)合PCM材料的垂直熱導(dǎo)率達(dá)到17.0 W/mK,電導(dǎo)率也達(dá)到60.5 S/cm。復(fù)合PCM材料可以與熱電組件(Bi2Te3)組裝成可擴(kuò)展PCM基光熱電矩陣。其中,制備復(fù)合PCM材料能夠被當(dāng)作熱/電橋和穩(wěn)壓器。復(fù)合PCM基光熱電矩陣的輸出功率/功率密度分別達(dá)到7.13mW和6.34W/m2。同時(shí),其輸出電壓波動(dòng)也被抑制了30%。


  超重力自組裝技術(shù)也可以制備低密度且高導(dǎo)熱/導(dǎo)電的聚乙烯醇復(fù)合材料(圖2-3)。通過超重力的振實(shí)效應(yīng)和失水的干縮效應(yīng),促使該材料在低密度(0.28~0.64 g/cm3)下,熱導(dǎo)率可以達(dá)到2.42~8.45 W/mK,電導(dǎo)率也可以達(dá)到8.16~230.40 S/m。同時(shí),該材料還具有良好機(jī)械可加工性、抗沖擊性能、抗老化性以及電磁屏蔽性能,可比肩于熱處理過的高性能碳泡沫。


圖1. (a)可擴(kuò)展復(fù)合PCM基光熱電矩陣搭建過程, (b)復(fù)合PCM基光熱電矩陣, (c)復(fù)合PCM基光熱電矩陣在模擬太陽光下(1 sun)的溫度變化, 復(fù)合PCM基光熱電矩陣的(d)表面溫度、(e-f)輸出電壓、(f)輸出電流變化,(h-i)復(fù)合PCM基光熱電矩陣的穩(wěn)壓性能。


圖2.(a)超重力自組裝技術(shù)制備高導(dǎo)熱/導(dǎo)電的聚乙烯醇復(fù)合材料的流程, (b-d)聚乙烯醇復(fù)合材料截面形貌, (e-g)聚乙烯醇復(fù)合材料的局部結(jié)構(gòu), 聚乙烯醇復(fù)合材料的(h-i)Raman和(j)CT圖片。


圖3. 聚乙烯醇復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能, (a-d)熱導(dǎo)率的變化隨著密度、負(fù)載量和離心轉(zhuǎn)速變化, (e)熱導(dǎo)率的改善幅度, (f)熱導(dǎo)率-密度的統(tǒng)計(jì)圖, (g)熱導(dǎo)率穩(wěn)定性,(h)循環(huán)性和(i)集熱性能, (j)聚乙烯醇復(fù)合材料的導(dǎo)熱機(jī)理。
本文展示了一種新、可靠、高效且簡(jiǎn)單的復(fù)合高分子加工工藝-超重力自組裝技術(shù)。得益于超重力自組裝技術(shù)的振實(shí)效應(yīng),復(fù)合高分子材料的熱導(dǎo)率/電導(dǎo)率得到大幅度提升,并開拓高導(dǎo)熱/導(dǎo)電復(fù)合材料的在超級(jí)快充散熱/電磁屏蔽和光熱電矩陣的應(yīng)用。


  論文鏈接:

  https://doi.org/10.1016/j.coco.2022.101265

  https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.12.028

  https://doi.org/10.1016/j.enconman.2021.115079

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