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走上“导热之路”的碳纳米管
2020年09月21日 发布 分类:技术前沿 点击量:314
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具有一维结构特性的碳纳米管(CNT)自从上世纪90年代初被首次制备和报道出来就一直是纳米材料界的明星材料。经过近30年的发展和研究,目前在很多领域都显示出了巨大的应用潜力。如它的高热导率和单向导热的热学性质,使得它可以作为复合材料的添加剂来提高材料的热学和力学性能。

碳纳米管

虽然由于各种原因,CNT在实际应用中并没有得到广泛的应用。但近年来,微纳加工技术的迅速发展使得电子器件持续小型化和运算高速化,能耗密度急剧增长。而为了保护这些敏感电路及元器件,就需要更低热阻、更高热导率的散热材料将芯片产生的热量快速导出并耗散掉,CNT作为添加剂改善聚合物基体导热性能的应用方向也因此被寄予厚望。

碳纳米管真的很“导热”吗?

事实上,CNT被誉为世界上最黑的物质,辐射系数接近1,具有极高的轴向热导率,是目前世界上最好导热材料之一。然而要想发挥出CNT的优势,非常地讲究使用方法——若CNT只是杂乱无规地分布在基体材料中,那大量管间接触导致的巨大热阻、宏观体中缝隙存在及界面能的不匹配等等都会很大程度抑制CNT优异的导热特性的发挥,导致复合材料的热导率与期望值相距甚远。

碳纳米管

原生碳纳米管TEM图片

CNT该怎么用才能有效改善各种聚合物基体内的热传递网络结构呢?基于目前添加碳纳米管改性聚合物基复合材料导热性能的研究,主要有5个因素阻碍了此类复合材料导热性能的进一步提升:

①碳纳米管在基体中的分散较差;

②碳纳米管复合材料的界面;

③碳纳米管在复合材料中的取向;

④碳纳米管的长径比;

⑤碳纳米管在复合材料中的含量。

但是,不论是改善碳纳米管在树脂基体中的分散、界面、取向程度、提高含量等,所获得的复合材料的热导率基本都低于1 W/(m K),这主要是由于仅靠碳纳米管一种填料作为复合材料中的导热网络的单一组分复合体系,其能发挥的效果有限。因此,可将碳纳米管和其他导热填料共同用于复合材料,构成三维的导热网络结构,通过它们之间的协同效应,使复合材料表现出比单独一种材料更加优异的性能。

组合1:石墨烯+碳纳米管

石墨烯和碳纳米管在电学和力学等方面有着相似的性质,石墨烯或纳米石墨片(多层石墨烯)会在石墨片层面内的两个方向有着极高的热导率,而碳纳米管仅在其轴向方向上具有高的热导率。因此两者与聚合物混合能够体现显著的协同改性效果,制备出性能优异的导热材料。

Yu等人在纳米石墨片改性环氧复合材料的基础上,将一维的单壁碳纳米管和二维的石墨片同时加入环氧树脂中制备复合材料,通过两者协同效应提高环氧复合材料的热导率.这主要归结于两者的协同改性降低了界面热阻同时形成了更高效的导热网络,并对该复合材料提出了如下图所示的导热结构模型。

碳纳米管 

碳纳米管/纳米石墨片/环氧复合材料中的导热模型

组合2:碳纳米纤维+碳纳米管

碳纳米纤维(CNF)是由纤维素进行纳米化经处理后制成的,具有“轻盈、强韧、环保”的特点,与CNT一样也是一种备受瞩目的碳材料。不过两者分别单独使用的话效果都不太好——CNT复合材料的热导率要有2W/mK,添加量需达10wt%;只添加大量CNF的话,复合材料会丧失柔软性。

不过两者结合起来使用就不一样了。不久前东京大学和日本产业技术综合研究所通过将两种不同尺寸的CNF和CNT材料与环状高分子材料聚轮烷结合在一起,制备出了一种高导热的橡胶复合材料。在复合材料内部,CNF会沿着施加的电场方向排列,较小的CNT则缠绕在较大的CNF外面,将CNF连接在一起。如此一来,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。

碳纳米管

CNF和CNT在此橡胶复合材料中排列分散的情况

据悉,这种新开发出来的橡胶复合材料就像橡胶一样柔软,即使添加50wt%的纤维状碳材料也仍然具有高柔软性,并且导热率与金属不分伯仲,在顺CNF排列方向具有14W/mK的高导热率,达到了实用化水平,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。

碳纳米管

橡胶复合材料外观

除了上述两种外,CNT在散热材料中其实还有更多的组合方式,在这里就不一一展开了。显然,CNT在热管理材料领域的研究目前已取得了很大的进步和显著的成果,在未来以微型电子器件为主流的发展趋势下,或许这真的会成为CNT未来的主要应用方向呢。

资料来源:

碳纳米管在热管理材料中的应用,邢亚娟,陈宏源,陈名海,姚亚刚,李清文。

粉体圈 小榆


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