【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近期，中國科學(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)合材料研究部研究員田興友和研究員張獻團隊以低熔點合金為填料，在實現(xiàn)導(dǎo)熱與電磁屏蔽雙功能聚合物復(fù)合材料制備方面取得系列進展。相關(guān)研究成果分別發(fā)表在Composites Part A-Applied Science & Manufacturing、Nanotechnology、ACS Applied Polymer Materials和Materials Research Express上。
 

　　隨著5G時代到來，電子產(chǎn)品更新升級不斷加快。高頻率的引入使電子設(shè)備間的電磁干擾愈加嚴(yán)重，同時設(shè)備功耗不斷增大，發(fā)熱量也隨之快速上升，這成為影響高頻率高功率電子產(chǎn)品發(fā)展的關(guān)鍵因素。為解該問題，電子產(chǎn)品在設(shè)計時需加入具有導(dǎo)熱和電磁屏蔽性能的雙功能材料組件。低熔點合金具有較低的熔點、良好的潤濕性能和力學(xué)性能、良好的導(dǎo)電和熱導(dǎo)性能，在電磁屏蔽與散熱領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。更重要的是，低熔點合金填料能在聚合物基體中實現(xiàn)剛性粒子和可變形液滴兩種存在狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，從而賦予了低熔點合金復(fù)合材料一些普通材料不具備的特殊性能，具有研究和應(yīng)用價值。
 

　　首先，研究團隊以聚合物規(guī)則微球為基體，以低熔點合金(SnBi58)作為功能填料，分別在熱塑型聚偏氟乙烯(PVDF)及熱固性環(huán)氧(EP)基體中構(gòu)建了連續(xù)的合金微觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。合金含量為50 vol%的PVDF/SnBi58復(fù)合材料，其導(dǎo)熱系數(shù)達6.38 W/mk，電磁屏蔽效能為68.79 dB。在環(huán)氧基體中，借助低熔點合金固-液相變行為，SnBi58合金作為一種“粘結(jié)劑”，解決了熱固性環(huán)氧樹脂難以通過熱壓加工成型的問題。此外，合金顆粒將多個環(huán)氧微球包圍形成環(huán)形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效提高了環(huán)氧基體的導(dǎo)熱系數(shù)及電磁屏蔽效能。
 

　　之后，充分利用低熔點合金填料在聚合物基體中能實現(xiàn)剛性粒子和可變形液滴兩種存在狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，以及SnBi58合金和石墨烯之間的良好聲子功率譜的匹配，同時提高了PVDF/石墨烯(Gr)膜的水平與垂直方向的導(dǎo)熱系數(shù)。具有4.8 vol%石墨烯和10.0 vol%LMPA(低熔點合金)的PVDF@4.8Gr/10LMPA復(fù)合材料表現(xiàn)出面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)為9.41 W/mK，面外導(dǎo)熱系數(shù)為0.35 W/mK，與PVDF@4.8Gr復(fù)合材料相比，分別增加約245%和130%。
 

　　研究人員分別采用不同粒徑的聚合物微球、不同特性的低熔點合金及不同加工溫度，考察了隔離結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵影響因素及其與性能的關(guān)聯(lián)規(guī)律。結(jié)果表明，合適的模壓加工溫度和微球/合金顆粒的尺寸匹配性決定了微觀隔離網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成和導(dǎo)熱性能。SnBi17Cu0.5合金因其與聚合物基體尺寸的匹配性較高，從而達到了較低的界面熱阻和較優(yōu)的導(dǎo)熱性能；小尺寸聚合物微球有利于微觀導(dǎo)熱通道的致密化和界面熱阻的降低，也更有利于提高復(fù)合材料熱導(dǎo)率。
 

　　低熔點合金優(yōu)異的導(dǎo)電/導(dǎo)熱特性實現(xiàn)了聚合物基體導(dǎo)熱與電磁屏蔽功能的一體化制備，且其固液相變行為進一步滿足了高效的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計和易加工需求。該方法利用了低熔點合金的加工優(yōu)勢及功能特點而獲得了高性能復(fù)合材料，工藝簡單、成本低廉，易于規(guī)模化。
 

　　研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、中科院STS重點項目等的支持。