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日本开发出导热率媲美金属的橡胶复合材料

2020年02月27日 化学材料

日本产业技术综合研究所(产综研)和东京大学通过将碳纳米纤维(CNF)和碳纳米管(CNT)两种纤维状碳材料与环状高分子材料聚轮烷结合在一起,开发出了像橡胶一样柔软,并且导热率与金属不分伯仲的橡胶复合材料(图1)。新型橡胶复合材料在顺CNF排列方向具有14W/mK的高导热率,同时具备高柔软性。此次开发的材料有望应用于柔性电子器件的热夹层材料、散热片和散热板等。

日本开发出导热率媲美金属的橡胶复合材料

图1:排列CNF的高导热率橡胶复合材料的示意图

此次开发的橡胶复合材料在聚轮烷中分布了两种不同尺寸的纤维状碳材料(CNF和CNT)作为填充物。CNF粗200nm,长10~100μm,CNT粗10~30nm,长0.5~2μm。改善纤维状碳材料在橡胶材料中的分散性以及在复合材料中形成导热网被认为是实现高导热率的关键。为改善分散性,将CNF和CNT(CNF:CNT重量比为9:1)分散于氯化钠水溶液中,利用自主开发的流通式水中等离子体重整器对其实施了表面改性。

接下来,在甲苯溶剂中将已表面改性的CNF/CNT混合物与聚轮烷、催化剂和交联剂混合,然后放入交流电场处理用容器中,再施加交流电场使之发生交联反应,制作成凝胶。之后用烤箱加热获得的凝胶,去除溶剂,就获得了薄膜状复合材料。

图2是此次开发的复合材料内部电子显微镜图像。通过实施表面改性,茧状聚集物松散开,CNF沿施加的电场方向排列。另外,较小的CNT缠绕在较大的CNF外面,将CNF连接在一起。研究认为,通过以少量的CNT连接CNF,在整个复合材料中形成了导热网络,从而实现了高导热率。

日本开发出导热率媲美金属的橡胶复合材料

图2:CNF和CNT在此次开发的橡胶复合材料中排列分散的情况(电子显微镜图像)

新开发的橡胶材料即使添加50wt%的纤维状碳材料也仍然具有高柔软性,反复变形也没有发生脆化。研究团队认为,纤维状碳材料与聚轮烷的环状分子交联,环状分子的移动维持了高柔软性并抑制了脆化(图3)。

日本开发出导热率媲美金属的橡胶复合材料

图3:新开发的橡胶复合材料外观

图4中五星表示此次开发的橡胶复合材料,圆点表示以往开发的氮化硼橡胶复合材料,绿色方形区域是用于柔性电子器件用基板材料的预定开发目标。通过使用经水中等离子体表面改性的纤维状碳材料,导热率比采用氮化硼材料高出1个数量级,杨氏模量更低(更柔软)的橡胶复合材料。作为柔性电子器件的热管理材料,已经达到了实用化水平。

日本开发出导热率媲美金属的橡胶复合材料

图4:各种材料的杨氏模量与导热率的关系

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中文:JST客观日本编辑部编译整理

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