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  2. 天津大學(xué)封偉團(tuán)隊(duì)AFM:高導(dǎo)熱彈性復(fù)合材料
    2019-04-16 09:52:21 作者:本網(wǎng)整理 來(lái)源:材料人 分享至:

    【研究背景】


    兼具壓力敏感高導(dǎo)熱和高導(dǎo)電性能的彈性復(fù)合材料是構(gòu)建可拉伸柔性壓敏器件(傳感器、致動(dòng)器、探測(cè)器)的核心材料。其中核心材料的電/熱敏感度、彈性形變、響應(yīng)速率及循環(huán)穩(wěn)定性是影響其器件性能的關(guān)鍵。目前導(dǎo)熱彈性體主要以熱塑性彈性體或液晶彈性體為基材,其柔性鏈的自由運(yùn)動(dòng)雖然使其具備較高的彈性形變和良好的壓縮回彈性,但是材料的導(dǎo)熱/電率較低、力學(xué)承載能力弱(受外力易破壞)且耐高溫性能較差,限制了其極端環(huán)境中的應(yīng)用。與之相比,以聚酰亞胺為代表的高模量/高強(qiáng)度聚合物具備良好的耐高溫和力學(xué)承載能力,但其分子鏈間相互作用(交聯(lián))限制了鏈段的運(yùn)動(dòng),剛性結(jié)構(gòu)大幅降低了其彈性形變及壓縮回彈性。因此如何通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),賦予高模量聚合物聲子(電子)傳導(dǎo)和高彈性,是制備高導(dǎo)熱彈性復(fù)合材料的重要途徑。


    【成果簡(jiǎn)介】


    近日,天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院封偉教授團(tuán)隊(duì)提出以高彈性石墨烯交聯(lián)三維碳納米管海綿體為模板,制備出一種兼具導(dǎo)熱、導(dǎo)電和良好壓縮回彈性的聚酰亞胺/碳復(fù)合材料。通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處的石墨烯交聯(lián)、界面相互作用和復(fù)合均勻性,使剛性聚酰亞胺復(fù)合材料呈現(xiàn)出壓力可調(diào)的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能,可實(shí)現(xiàn)界面高效熱管理和壓力敏感性能。結(jié)果顯示,通過(guò)高溫碳化節(jié)點(diǎn)處均勻包覆的聚酰亞胺,獲得了高質(zhì)量石墨烯交聯(lián)結(jié)構(gòu)的三維碳管網(wǎng)絡(luò),長(zhǎng)程共軛結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了聲子在網(wǎng)絡(luò)和界面處的快速傳導(dǎo),解決了碳管網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部界面弱連接導(dǎo)致界面熱阻過(guò)高和循環(huán)壓縮性能差的難題;同時(shí)均勻包覆聚酰亞胺的碳管網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)與不同含量聚酰亞胺基體的均勻復(fù)合,從而實(shí)現(xiàn)了三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料的密度和孔隙率的調(diào)控,為實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱(電)和高彈性的兼顧提供了材料基礎(chǔ)。


    在控制聚酰亞胺含量的基礎(chǔ)上,獲得了一系列具有不同導(dǎo)熱(電)和彈性形變的彈性復(fù)合材料(Gw-CNT/PI),其導(dǎo)熱系數(shù)和可壓縮率分別在0.325 ~10.89 W/mK和2.2%~49.9%(壓力:1 MPa)范圍可調(diào)。通過(guò)有限元分析進(jìn)一步證實(shí)了通過(guò)施加不同外力可實(shí)現(xiàn)聲子在不同密度的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)的快速定向傳導(dǎo)。該性能使聚酰亞胺基導(dǎo)熱彈性體適用于不同結(jié)構(gòu)的界面熱傳導(dǎo)或壓力傳感,極大地拓寬了該材料的應(yīng)用領(lǐng)域。將該彈性復(fù)合材料作為界面熱材料置于模擬動(dòng)態(tài)伸縮的器件內(nèi),發(fā)現(xiàn)該導(dǎo)熱彈性體能在超過(guò)200次壓縮/回彈循環(huán)后,仍保持與兩側(cè)界面的良好接觸,從而大幅降低界面處的溫度梯度,使熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳導(dǎo),降低局部過(guò)熱程度。


    【圖文導(dǎo)讀】


    圖1. 基于石墨烯交聯(lián)碳納米管網(wǎng)絡(luò)/聚酰亞胺復(fù)合材料的制備過(guò)程示意圖


    1.png

     

    圖2. 節(jié)點(diǎn)處石墨烯交聯(lián)的三維碳納米管網(wǎng)絡(luò)的(a-c)SEM和(d-e)TEM照片


    2.png

     

    圖3. 不同含量的Gw-CNT/PI復(fù)合材料的微觀形貌


    3.png

     

    圖4. Gw-CNT/PI復(fù)合材料的壓縮彈性性能


    4.png

     

    圖5. Gw-CNT/PI復(fù)合材料的(a)密度以及(b) 彈性形變與導(dǎo)熱系數(shù)的調(diào)控關(guān)系


    5.png

     

    圖6. Gw-CNT/PI復(fù)合材料在(上)未壓縮和(下)壓縮狀態(tài)下熱傳導(dǎo)的有限元模擬


    6.png

     

    圖7. Gw-CNT/PI復(fù)合材料的(a)密度以及(b) 彈性形變與導(dǎo)電率的調(diào)控關(guān)系,(c,d)不同壓力下的傳感性能及其循環(huán)穩(wěn)定性


    7.png

     

    【小結(jié)】


    以石墨烯交聯(lián)的彈性碳納米管海綿體為模板,通過(guò)均勻復(fù)合,不僅可以實(shí)現(xiàn)了界面高效熱傳導(dǎo)和彈性形變的可調(diào),而且賦予了高模量剛性聚酰亞胺復(fù)合材料高導(dǎo)熱(電)和壓縮回彈性。有限元分析和動(dòng)態(tài)熱管理器件應(yīng)用分別從理論和實(shí)際角度,證明了Gw-CNT/PI復(fù)合彈性體可以實(shí)現(xiàn)在不同壓縮形變下熱傳導(dǎo)的有效調(diào)控,該結(jié)果表明該導(dǎo)熱彈性體是未來(lái)極端復(fù)雜環(huán)境熱管理領(lǐng)域的理想材料之一。


    該工作近期以“Stress Controllability in Thermal and Electrical Conductivity of 3D Elastic Graphene-Crosslinked Carbon Nanotube Sponge/Polyimide Nanocomposite”為題發(fā)表在期刊Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.201901383)上(文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/adfm.201901383),文章第一作者為博士研究生張飛,通訊作者為封偉教授,共同通訊作者為馮奕鈺教授。


    團(tuán)隊(duì)成果介紹


    極端環(huán)境熱管理系統(tǒng)在能源化工、通訊衛(wèi)星、高速飛行器及人工智能等領(lǐng)域都發(fā)揮重要作用。導(dǎo)熱復(fù)合材料作為熱管理系統(tǒng)的關(guān)鍵材料,直接影響著其在不同環(huán)境內(nèi)的熱傳導(dǎo)方向和效率。近年來(lái),本團(tuán)隊(duì)以高導(dǎo)熱碳復(fù)合材料為研究基礎(chǔ),針對(duì)其存在的導(dǎo)熱各向異性、壓縮回彈性差以及與高彈性難以兼顧的問(wèn)題,提出了通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和界面優(yōu)化,分別實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的定向高導(dǎo)熱和彈性高導(dǎo)熱,探索其在復(fù)雜界面和極端環(huán)境熱傳導(dǎo)領(lǐng)域的應(yīng)用。


    主要成果包括:


    1.以彈性碳納米管海綿體為模板,分別與熱塑性彈性體和高模量聚合物實(shí)現(xiàn)均勻復(fù)合,制備了高導(dǎo)熱、高彈性的聚合物基復(fù)合材料[1, 2];


    2.以高彈性多孔密胺樹(shù)脂泡沫為模板,通過(guò)選擇性吸附實(shí)現(xiàn)了石墨烯在表面的連續(xù)搭接形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),制備了具有壓力可調(diào)導(dǎo)熱和彈性的聚合物基復(fù)合材料[3];


    3.以表面生長(zhǎng)碳納米管的碳纖維陣列為基礎(chǔ),通過(guò)控制其取向度和密度,分別與高彈性硅橡膠和耐高溫碳化硅均勻復(fù)合,分別制備了具有導(dǎo)熱各向異性的彈性聚合物基復(fù)合材料和面外高導(dǎo)熱/高剪切強(qiáng)度的復(fù)合材料[4,5];


    4.通過(guò)在層狀石墨內(nèi)插層生長(zhǎng)不同密度和長(zhǎng)度的碳納米管陣列或碳螺旋環(huán),獲得了具有厚度方向高導(dǎo)熱的碳基復(fù)合材料,并且了實(shí)現(xiàn)了一定范圍內(nèi)的壓縮回彈[6-8];


    5.團(tuán)隊(duì)在高導(dǎo)熱復(fù)合材料相關(guān)領(lǐng)域,先后發(fā)表多篇代表性綜述性文章[9-11],提出了導(dǎo)熱復(fù)合材料的技術(shù)瓶頸,發(fā)展方向和潛在應(yīng)用領(lǐng)域,為導(dǎo)熱復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、制備與應(yīng)用指明了方向。


    代表性發(fā)表論文:


    [1] Zhang F, Feng Y, Qin M, et al. Stress Controllability in Thermal and Electrical Conductivity of 3D Elastic Graphene-Crosslinked Carbon Nanotube Sponge/Polyimide Nanocomposite Advanced Functional Materials DOI:10.1002/adfm.201901383


    [2] Zhang F, Feng Y, Qin M, et al. Stress-sensitive thermally conductive elastic nanocomposite based on interconnected graphite-welded carbon nanotube sponges Carbon 2019, 145: 378-388.


    [3] Qin M, Xu Y, Cao R, et al. Efficiently Controlling the 3D Thermal Conductivity of a Polymer Nanocomposite via a Hyperelastic Double‐Continuous Network of Graphene and Sponge Advanced Functional Materials 2018, 28(45): 1805053.


    [4] Ji T, Feng Y, Qin M, et al. Thermal conductive and flexible silastic composite based on a hierarchical framework of aligned carbon fibers-carbon nanotubes Carbon 2018, 131: 149-159.


    [5] Chen S, Feng Y, Qin M, et al. Improving thermal conductivity in the through-thickness direction of carbon fiber/SiC composites by growing vertically aligned carbon nanotubes Carbon 2017, 116: 83-93.


    [6] Qin M, Feng Y, Ji T, et al. Enhancement of cross-plane thermal conductivity and mechanical strength via vertical aligned carbon nanotube@graphite architecture Carbon 2016, 104: 157-168.


    [7] Feng W, Qin M, Lv P, et al. A three-dimensional nanostructure of graphite intercalated by carbon nanotubes with high cross-plane thermal conductivity and bending strength Carbon 2014, 77: 1054-1064.


    [8] Feng W, Li J, Feng Y, et al. Enhanced cross-plane thermal conductivity and high resilience of three-dimensional hierarchical carbon nanocoil-graphite nanocomposites RSC Advances 2014, 4(20): 10090-10096


    [9] Feng W, Qin M, Feng Y. Toward highly thermally conductive all-carbon composites: Structure control Carbon 2016, 109: 575-597.


    [10] Ji T, Feng Y, Qin M, et al. Thermal conducting properties of aligned carbon nanotubes and their polymer composites Composites Part A: Applied Science & Manufacturing 2016, 91: 351-369.


    [11] Zhang Z, Qu J, Feng Y, et al. Assembly of graphene-aligned polymer composites for thermal conductive applications Composites Communications 2018, 9: 33-41.

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