相變導(dǎo)熱材料由于具有高效散熱和溫度調(diào)控能力而逐漸被廣泛關(guān)注。然而，其實際應(yīng)用還存在一些問題，包括導(dǎo)熱系數(shù)偏低，缺乏電磁防護(hù)性能、柔性較差和容易泄漏。因此，開發(fā)具有超高導(dǎo)熱系數(shù)、強(qiáng)電磁屏蔽和無相變泄漏的柔性相變導(dǎo)熱材料非常重要。
近期，華南理工大學(xué)郭建華教授和蔣興華研究員團(tuán)隊采用化學(xué)接枝法合成了聚乙二醇-改性聚硅氧烷（pPDMS），作為柔性相變導(dǎo)熱材料的基材。此外，制備了一種銀納米顆粒修飾的膨脹石墨（Ag-EG），實現(xiàn)了零維，二維以及三維填料的組合，并將其與pPDMS基材均勻共混，通過熱壓作用使膨脹石墨壓實并取向，制備得到Ag-EG@pPDMS復(fù)合材料（圖1）。掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）照片顯示，Ag-EG在材料內(nèi)部形成了三維取向結(jié)構(gòu)，銀納米粒子位于膨脹石墨的表面和片層之間，構(gòu)建了水平和垂直方向上的多重導(dǎo)熱通路（圖2）。因此，Ag-EG@pPDMS在平面和垂直方向上都具有高導(dǎo)熱系數(shù)，分別為23.4和 8.1 W·m?1·K?1。為進(jìn)一步研究三維取向結(jié)構(gòu)對材料導(dǎo)熱性能的影響，團(tuán)隊根據(jù)有效介質(zhì)理論（EMT）和Foygel熱傳導(dǎo)模型，通過有限元模擬證明三維取向結(jié)構(gòu)能夠顯著提高材料的導(dǎo)熱性能（圖3）。此外，Ag-EG@pPDMS具有優(yōu)異的相變循環(huán)穩(wěn)定性，在經(jīng)過300次相變循環(huán)后，相變熱焓保持率為99.6%，且在溫度和壓力作用下無相變材料泄漏（圖4）。Ag-EG@pPDMS還具有出色的電磁屏蔽性能，當(dāng)樣品厚度為2.0 mm時，電磁屏蔽效能（EMI SE）達(dá)到73.2 dB； 而當(dāng)厚度僅為0.5 mm時，EMI SE也能達(dá)到52 dB（圖5）。通過電腦CPU、無線藍(lán)牙耳機(jī)等設(shè)備對Ag-EG@pPDMS進(jìn)行熱管理和電磁防護(hù)的應(yīng)用考核，結(jié)果表明復(fù)合材料在熱管理和電磁防護(hù)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景（圖6）。Ag-EG@pPDMS復(fù)合材料優(yōu)異的綜合性能使其可用于消費電子、5G通訊和新能源汽車等領(lǐng)域。
圖1. Ag-EG@pPDMS復(fù)合材料的制備過程示意圖和部分特性展示
圖2. Ag-EG@pPDMS復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)表征以及導(dǎo)熱通路設(shè)計
圖3. Ag-EG@pPDMS復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能、理論模型以及導(dǎo)熱的有限元仿真
圖4. Ag-EG@pPDMS復(fù)合材料的相變功能、無泄漏特性以及熱重分析曲線
圖5. Ag-EG@pPDMS復(fù)合材料的電磁屏蔽性能和屏蔽機(jī)理
圖6. Ag-EG@pPDMS復(fù)合材料在熱管理、電磁屏蔽方面的應(yīng)用展示
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836824008540
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