【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所高分子與復(fù)合材料研究部與丹麥奧胡斯大學(xué)、挪威科學(xué)技術(shù)大學(xué)等合作，通過(guò)選擇合適的硅烷偶聯(lián)劑結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)從分子水平上調(diào)控復(fù)合材料導(dǎo)熱性能，并進(jìn)一步探究其調(diào)控機(jī)理。相關(guān)研究成果以Covalent coupling regulated thermal conductivity of poly(vinyl alcohol)/boron nitride composite film based on silane molecular structure為題，發(fā)表在Composites Part A：Applied Science and Manufacturing上。
 

　　隨著電子產(chǎn)品朝著微型化、多功能化方向發(fā)展，其集成化程度迅速升高，功率密度大幅增加，由此帶來(lái)的散熱困難影響器件的工作穩(wěn)定性和壽命。目前，高分子材料在電子封裝材料中占據(jù)主導(dǎo)地位，一般高分子材料都是熱的不良導(dǎo)體，開發(fā)高導(dǎo)熱的高分子熱管理材料成為亟待解決的問(wèn)題。向高分子材料中添加高導(dǎo)熱組元是提高復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的常用方法之一。然而，熱載體聲子容易被導(dǎo)熱組元和高分子界面散射，限制了熱量傳遞效率。高分子/導(dǎo)熱組元界面成為熱量傳遞的薄弱環(huán)節(jié)，成為制約復(fù)合材料導(dǎo)熱性能提升的重要因素。通過(guò)共價(jià)鍵鏈接高分子/導(dǎo)熱組元界面為增強(qiáng)熱傳導(dǎo)的常用方法，一般可有效降低界面熱阻。但引入共價(jià)鍵分子自身會(huì)帶來(lái)一定熱阻，也有報(bào)道某些情況下會(huì)降低復(fù)合材料熱導(dǎo)率。
 

　　為了闡明共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響，以指導(dǎo)高導(dǎo)熱復(fù)合材料設(shè)計(jì)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑共價(jià)連接聚乙烯醇(PVA)和羥基改性氮化硼fBN制備復(fù)合材料。通過(guò)對(duì)比正硅酸乙酯(TEOS)，乙烯基三乙氧基硅烷(VTES)，3-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)三種硅烷偶聯(lián)劑，發(fā)現(xiàn)TEOS和VTES，通過(guò)水解形成Si-OH，并進(jìn)一步與PVA和fBN反應(yīng)，形成共價(jià)鍵。然而TEOS因可水解生成更多的Si-OH(4個(gè))，相比于VTES(3個(gè)Si-OH)，更傾向于發(fā)生自縮聚反應(yīng)。由于側(cè)鏈較長(zhǎng)，GPTMS更傾向側(cè)鏈環(huán)氧基團(tuán)開環(huán)后與PVA和fBN作用，反應(yīng)活性點(diǎn)相對(duì)較少，共價(jià)鏈接作用較弱。
 

　　通過(guò)系統(tǒng)研究硅烷偶聯(lián)劑對(duì)PVA/fBN復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能影響發(fā)現(xiàn)，隨著TEOS和VTES含量的增加，復(fù)合材料導(dǎo)熱性能逐步提升；GPTMS卻呈現(xiàn)出相反趨勢(shì)。對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合分子模擬驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，增加硅烷偶聯(lián)劑分子中可水解的Si-OR數(shù)量，導(dǎo)致硅烷偶聯(lián)劑傾向于自縮聚，進(jìn)而降低其鏈接PVA/fBN的效率，致使導(dǎo)熱性能提升效果下降。在導(dǎo)熱通路中引入長(zhǎng)分子鏈，其自身熱阻作用大于因共價(jià)鏈接高分子/導(dǎo)熱組元而帶來(lái)的導(dǎo)熱提升作用。研究團(tuán)隊(duì)利用紅外熱成像技術(shù)驗(yàn)證了硅烷偶聯(lián)劑調(diào)控復(fù)合材料的熱傳遞性能效果。結(jié)果顯示PVA-VTES-fBN熱響應(yīng)速度快，進(jìn)一步證實(shí)了VTES具有改性效果。同時(shí)，通過(guò)對(duì)復(fù)合材料的LED裝置集成驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，VTES較GPTMS在2分鐘內(nèi)可降低LED芯片中心點(diǎn)溫度0.7℃。
 

　　該研究通過(guò)選擇合適的硅烷偶聯(lián)劑結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)從分子水平上調(diào)控復(fù)合材料導(dǎo)熱性能，并對(duì)聚合物基熱管理材料的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。合肥研究院副研究員宮藝和研究員田興友為論文的共同通訊作者，合肥研究院博士生程華和丹麥奧胡斯大學(xué)博士趙凱為論文的共同第一作者。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，中科院STS重點(diǎn)項(xiàng)目，中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)，中科院合肥研究院院長(zhǎng)基金和Research Council of Norway等的資助。