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中科院深圳先進院胡友根、林志強《Small》:高效吸波導熱多功能彈性材料的設計
2022-12-01  來源:高分子科技

  隨著電子產品的小型化、高度集成化和高頻化,其內部熱量積累和電磁干擾問題日益嚴重,兼具高熱導率和高效電磁波吸收性能的多功能彈性材料是解決該問題的理想選擇。與電磁屏蔽材料相比,吸波材料可有效減少電磁波的反射,避免電磁波二次污染。在吸波材料微觀結構設計中,需要材料內部的吸波成分充分分散、隔離,以提高吸波效果、拓寬頻率范圍;而提高材料導熱性能,則要求材料內部盡可能連續、低缺陷、少界面,形成連續導熱通路網絡。導熱材料與吸波材料在微觀結構設計方面存在的矛盾,極大增加了在同一材料上同時實現高導熱與高效吸波的難度。


  為應對上述挑戰,中國科學院深圳先進技術研究院、深圳先進電子材料國際創新研究院孫蓉研究員團隊的胡友根副副研究員、林志強副研究員制備了一種在厚度方向導熱通路貫穿、在水平方向電磁隔離、具有取向結構的碳纖維彈性體復合材料,用于高效熱管理和電磁波吸收。相關工作在SmallIF: 15.15)上發表了題為:A Through-Thickness Arrayed Carbon Fibers Elastomer with Horizontal Segregated Magnetic Network for Highly Efficient Thermal Management and Electromagnetic Wave Absorption的研究論文。該論文提出了一種結構設計思路:構建取向結構的連續導熱骨架,同時在導熱填料表面引入磁性功能基元提升材料的阻抗匹配和吸波性能。利用該結構設計策略,該論文報道了一種同時具有高面外熱導率(λ=15.55 W m-1K-1)和優秀吸波性能(最小反射損耗RLmin=-55.15 dB,有效吸收帶寬EAB=8.25 GHz)的彈性材料。該彈性體在垂直方向具有貫穿厚度的碳纖維(CF陣列以提高面外熱導率,在水平方向構建NiCo2O4隔離網絡以提高阻抗匹配和吸波性能,并以有機硅膠為聚合物基體提供充分的柔彈性。此外,取向結構NiCO@CFs彈性體的導熱和電磁波吸收性能還可以通過改變取向角度來調控。簡而言之,該工作通過巧妙的結構設計,實現了出色的導熱、電磁波吸收與機械柔性的多功能一體化集成,為開發面向高頻和高功率電子設備的多功能材料提供了重要參考方案。 


貫穿厚度的陣列化取向結構NiCO@CFs彈性體制備與表征。a)彈性體的制備流程示意圖;bCFGO/CFNiCO@CFSEM圖;cNiCO@CF雜化填料的橫截面SEM圖以及CoNi元素分布的能譜映射;deNiCO@CFs的高分辨率Co 2pNi 2pX射線光電子能譜;f)第一性原理計算的鈷-石墨烯,鎳-石墨烯,鈷-氧化石墨烯和鎳-氧化石墨烯系統的結合能(右下角的插圖為NiCo2O4GO/CF之間界面的TEM圖像)。 


2 取向化結構NiCO@CFs彈性體實物及其厚度與取向角度調控。 



3 NiCO@CFs彈性體的結構、導熱性能和機械性能。a–e) NAA0A30A60A90的橫截面SEM圖像以及碳元素分布和快速傅里葉變換圖像的相應能譜映射;f)不同取向角度的NiCO@CFs彈性體面外導熱系數比較;g)不同取向角的NiCO@CFs彈性體放置在恒溫加熱臺上的表面溫度-時間曲線;h)具有不同取向角的NiCO@CFs彈性體的連續紅外圖像,將其放置在恒溫為180°C的加熱板上;i)垂直排列的CFNiCO@CFs陣列彈性體的熱導率與最近報道的文獻的比較;j)基于Agari模型的實驗熱導率擬合,插圖為A90(垂直取向樣品)的熱傳導路徑示意圖;k)不同取向角的NiCO@CFs彈性體的壓縮應力-應變曲線。lA90的恢復率和相應的壓應力-應變曲線(插圖);mA90的溫度曲線的存儲和損耗模量。 


不同取向角度的陣列NiCO@CFs彈性體的電磁參數的頻率依賴性。a)復介電常數的實部ε′(頂部)和虛部ε′′(底部);b)介電損耗正切值tanδεc)陣列NiCO@CFs彈性體的偶極子/界面極化和電導損耗示意圖;d)復磁導率的實部μ′(頂部)和虛部μ′′(底部);e)磁損耗正切值tanδμf)陣列NiCO@CFs彈性體的渦流損耗和磁共振示意圖。 


5 NiCO@CFs彈性體的電磁波吸收性能。計算的理論RL值為aA0bA30cA60dA903D曲線;eEABRLmin的比較,具有不同取向角和質量分數的NiCO@CFs彈性體;f)不同取向角和質量比的彈性體NiCO@CFs EAB分布;gNiCO@CFs彈性體與其他電磁波吸收材料的EABRLmin比較。


 

不同取向角的陣列NiCO@CFs彈性體的電磁波吸收性能比較;a)反射損耗,Zin/Z0,以及NiCO@CFs彈性體在3.88 mm選擇性厚度下的衰減常數αb)調控NiCO@CFs彈性體電磁波吸收性能的策略示意圖。 


多功能陣列NiCO@CFs彈性體的工作機理。a)電場和磁場的模擬。b) 熱通道路徑示意圖;c)綜合性能比較,包括導熱系數(λ)、最小反射損耗(RLmin)和有效吸收帶寬(EAB)。


  該論文第一作者為南科大-深理工在讀聯培碩士研究生張震,通訊作者為林志強副研究員、胡友根副研究員。


  原文鏈接:A Through-thickness Arrayed Carbon Fibers Elastomer with Horizontal Segregated Magnetic Network for Highly Efficient Thermal Management and Electromagnetic Wave Absorption 

  Zhen Zhang, Jianda Wang, Jian Shang, Yadong Xu, Yan-Jun Wan, Zhiqiang Lin*, Rong Sun, and Yougen Hu*

  Small DOI: 10.1002/smll.202205716

  https://doi.org/10.1002/smll.202205716


作者介紹


林志強 本文通訊作者

中國科學院深圳先進技術研究院  副研究員


  主要研究領域為高性能電磁屏蔽、電磁波吸收材料及其在電子封裝中的應用。主持承擔國家自然科學青年科學基金、廣東省區域聯合基金-廣佛地區培育基金/青年基金、深圳市博士啟動計劃、企業委托等項目;近年來,以第一/通信作者在Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Small,  Carbon, Composites Science and Technology, Nanoscale 等雜志發表期刊論文10余篇,獲得授權發明專利多項。


胡友根 本文通訊作者

中國科學院深圳先進技術研究院 副研究員


  主要研究興趣為導電功能復合材料及其在電磁兼容、電互連、柔性電子等領域的應用。主持承擔國家自然科學基金面上/青年科學基金、JW科技委、工信部、深圳市技術攻關/基礎研究、企業委托等項目10余項;參與國家地方聯合工程實驗室、廣東省科研創新團隊、廣東省重點實驗室等項目。以第一作者/通訊作者在Nano-Micro Letters, Nano Energy, Small, Materials Horizons等學術期刊發表SCI論文30余篇,申請中國發明專利80余件,PCT專利4件,授權專利30余件,擔任國家自然科學基金通訊評審專家、Soft Science期刊青年編委及Nano Energy, CEJ, ACS AMI等國際期刊審稿人。

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(責任編輯:xu)
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