010-82930964 
编号：NMJS09653
篇名：聚合物基氮化硼/液态金属纳米复合材料导热性能的模拟与实验研究
作者：王瑞华
关键词： 复合材料; 导热性能; 分子动力学模拟; 液态金属; 杂化填料;
机构： 北京化工大学
摘要： 在现代科技生活中,电子设备的高密度集成与高频运行已成为常态,随之而来的散热难题,正日益成为限制其性能提升与长期稳定运行的关键瓶颈。在此背景下,设计开发具备卓越热传导性能的复合材料,已成为材料学领域亟待攻克的核心课题。聚合物基导热复合材料是一种由导热填料和聚合物组成的具有高导热系数的材料,被广泛应用于热管理领域。针对高导热复合材料的研究已有很多,但因填料自身特性或结构的限制,使复合材料导热性能的改善效果有限。因此,选择合适的填料种类以及合理设计导热结构十分必要。基于以上目的,本研究使用粗粒度分子动力学模拟(CGMD)的方法探讨了不同类型的复合材料的导热性能,并指导实验设计,制备了高导热性能纳米复合材料。研究内容如下: (1)首先,构建零维纳米球填充的聚合物纳米复合材料模拟体系,采用导通率来表征材料的导热性能。改变填充分数、粒径和界面相互作用,研究了复合材料的导热性能的变化规律。结果表明,导通率随着填充分数的增大,填料-基体相互作用的增强以及纳米球粒径的减小呈现上升趋势。通过对体系内团簇数量、纳米球配位数的计算,可以发现当填充量增加时,填料之间彼此搭接形成了一个较大的团簇,并且纳米球的配位数增大。纳米球与聚合物之间的相互作用的增强提高了其分散程度,使纳米球更容易形成热传导网络结构。通过不同尺寸的纳米球填充体系的对比,发现相同的填充分数下,填料直径小的体系导热性能更好。填料的填充量、尺寸及界面相互作用是影响复合材料导热性能的关键。 (2)为了进一步研究复合填料对导热率的提高作用,构建了零维纳米球/二维纳米片填充复合材料的模型。探究了不同条件下的导热性能以及填料的聚集状态。结果表明,与填充纳米球的体系相比,填充纳米球/纳米片杂化填料的体系具有更高的导通率和较低的逾渗阈值,证明杂化填料有利于改善体系导热效果。此外,通过控制填料的尺寸、填充量等因素可以精确调控复合材料的导热率。总之,本研究加深了对填充多维填料构建热导网络的理解,为开发更高效的导热聚合物材料提供了理论指导。 (3)前期计算模拟结果表明多维杂化填料能进一步提高导热性能,基于此基础,设计制备了高导热性能纳米复合材料。采用机械研磨的方法将六方氮化硼(h-BN)与液态金属(LM)进行混合,利用由h-BN/LM组成的气凝胶与聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合得到导热材料,并探究了h-BN与LM之间存在的相互作用和h-BN/LM-PDMS的导热性能。结果表明,LM与h-BN之间存在配位作用,LM的引入减少了h-BN在基体中的聚集。此外,h-BN与LM的协同作用可进一步提高其导热性能。对比纯硅橡胶,h-BN/LM-PDMS的导热率提高了235%,具有良好的导热性能。
