在低填充下实现聚合物绝缘材料导热系数的高效增强

12月19日,上海交通大学江平开教授团队在国际著名材料期刊《Advanced Functional Materials》上发表文章《Cellulose Nanofiber Supported 3D Interconnected BN Nanosheets for Epoxy Nanocomposites with Ultrahigh Thermal Management Capability》,报道了团队利用超薄氮化硼纳米片(BNNS)构筑三维导热气凝胶结构的方法,成功在低填充下实现聚合物绝缘材料导热系数的高效增强的成果。该团队多年来致力于导热绝缘材料的应用基础研究,这是2013年以来第二次在《Advanced Functional Materials》发表导热绝缘领域的论文,这一成果也标志着在标志着其在导热绝缘聚合物材料研究领域取得了重要进展。

在低填充下实现聚合物绝缘材料导热系数的高效增强

绝缘材料的重要性

绝缘材料是电力设备及电子器件不可或缺的基本组成部分,相当程度上决定了电力设备及电子器件的技术水平。

当前存在问题

当前,电力设备与电子器件朝着集成化、高功率化等方向发展,其运行、工作过程中会产生大量热量,若这些热量不能被高效传递出去,会严重影响设备及器件的工作可靠性和使用寿命。聚合物在电力设备及电子器件中被广泛用作绝缘材料,但大部分聚合物材料导热系数低,严重制约了各种设备热管理能力的提升。为解决这一问题,传统的方式是通过在聚合物中添加大量无机导热填料增强材料的导热系数、提高热管理能力。但这一方法在满足提高热管理能力的同时,会牺牲聚合物材料的绝缘性能、机械性能及加工性能。因此,在低填充下实现高效热管理能力是导热绝缘材料研究中的一大挑战。

在低填充下实现聚合物绝缘材料导热系数的高效增强

解决方法

江平开教授团队首先使用纤维素纳米纤维作为支持模板,通过溶胶凝胶法与真空冷冻干燥技术制备三维互联的氮化硼纳米片气凝胶,然后浇注环氧树脂获得得到纳米复合绝缘材料。

研究结果

测试结果显示,该材料在低氮化硼纳米片含量(仅9.6 vol%)下,导热系数相比普通环氧树脂提高约14倍,是现有报道中聚合物绝缘材料导热增强效率的新纪录,而更重要的,这种材料同时保持了环氧树脂的优异绝缘性能,其体积电阻率达1015Ω·cm。使用红外热像仪观察到该纳米复合绝缘材料具有比常规纳米复合材料快的多热响应速率,说明其在热管理方面具有很好的应用前景。

分析认为,这种纳米复合材料的优异性能得益于多层氮化硼纳米片本身的高导热率(可达360Wm-1K-1)和高绝缘性。

在低填充下实现聚合物绝缘材料导热系数的高效增强

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