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上海工程技術(shù)大學(xué)宋仕強(qiáng)團(tuán)隊(duì) CEJ: 仿生結(jié)構(gòu)用于構(gòu)建高導(dǎo)熱、抑煙減毒和智能損傷檢測(cè)的多功能聚合物復(fù)合材料

2023-08-22 來(lái)源：高分子科技

關(guān)鍵詞：仿生高導(dǎo)熱抑煙減毒智能損傷檢測(cè) 聚合物復(fù)合材料

聚合物基熱管理復(fù)合材料為電子器件的熱管理提供了重要保障，但器件經(jīng)常處于極端的熱環(huán)境中并屢遭短暫的熱沖擊，從而極大地影響了微電子器件的可靠性和安全性，并且一旦燃燒往往伴隨著爆炸以及煙霧的大量釋放，威脅生命財(cái)產(chǎn)安全。目前，絕大多數(shù)本征聚合物通常表現(xiàn)出較低的導(dǎo)熱率，從而導(dǎo)致潛在的火災(zāi)安全問(wèn)題，如何制備兼具導(dǎo)熱和阻燃、抑煙的聚合物熱管理復(fù)合材料是一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。

鑒于此，上海工程技術(shù)大學(xué)宋仕強(qiáng)副教授團(tuán)隊(duì)受蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，采用3D打印模板法構(gòu)筑了仿蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的三維PDMS骨架，通過(guò)吸附組裝過(guò)渡態(tài)金屬碳氮化合物(MXene)和二乙烯三胺五甲叉膦酸(DTPMPA)配位鈷離子螯合物，構(gòu)建了一種3D互連仿蜘蛛網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚合物復(fù)合材料，其中納米尺度的MXene、分子級(jí)DTPMPA和原子級(jí)鈷離子，構(gòu)成了多層多尺度的3D填料網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料高導(dǎo)熱和優(yōu)異火災(zāi)安全性能。

圖1. PDMS復(fù)合材料設(shè)計(jì)原理及制備過(guò)程

實(shí)驗(yàn)研究表明，復(fù)合材料內(nèi)部的蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)和高導(dǎo)熱的MXene為聚合物的熱傳導(dǎo)提供了一條快速通道。作者對(duì)比了填料的分散狀態(tài)對(duì)聚合物導(dǎo)熱性能的影響，具有蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的PDMS復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了低填料添加下的高平面外導(dǎo)熱系數(shù)，并將其初步應(yīng)用到電子器件的熱管理領(lǐng)域，表現(xiàn)出優(yōu)異的熱管理性能。

圖2. 導(dǎo)熱性能測(cè)試及對(duì)比

此外，作者還對(duì)復(fù)合材料的火災(zāi)安全性進(jìn)行了一系列表征。與純PDMS相比，復(fù)合材料具有優(yōu)異的自熄性能和火災(zāi)安全，特別是在抑制有毒CO和窒息性 CO₂氣體的產(chǎn)生方面，其釋放量分別下降了54.1% 和 41.2%，起到優(yōu)異的“抑煙減毒”的作用。作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)表征對(duì)復(fù)合材料的阻燃、抑煙機(jī)理做了進(jìn)一步闡釋。首先，在火災(zāi)產(chǎn)生初期，高導(dǎo)熱的MXene不僅提供了熱的傳到通路，避免局部熱量積聚，還發(fā)揮氣體屏蔽的作用，阻礙空氣與聚合物基體進(jìn)一步接觸，防止火焰繼續(xù)蔓延。其次，在火災(zāi)的中后期，DTPMPA 分子作為外保護(hù)層，形成焦磷酸，并釋放不可燃?xì)怏w，起到凝聚相和氣相阻燃劑的作用，進(jìn)一步的與MXene 納米片在高溫降解后形成致密的 TiP₂O₇ 層，發(fā)揮凝聚相阻燃劑的作用。最后，螯合在 DTPMPA 分子上的 Co 原子也有助于氣體吸附和催化成炭的作用。因此，這種多層多尺度的 MXene/DTPMPA@Co 與獨(dú)特的蛛網(wǎng)形態(tài)相結(jié)合，為復(fù)合材料帶來(lái)了出色的導(dǎo)熱性、低可燃性和煙霧抑制能力。

圖3.火災(zāi)安全性測(cè)試

圖4. PDMS復(fù)合材料的阻燃、抑煙機(jī)理示意圖

更為有趣的是，得益于蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)和MXene 的高導(dǎo)電性，復(fù)合材料還表現(xiàn)出對(duì)基體損傷的智能檢測(cè)能力。當(dāng)復(fù)合材料受到外力作用產(chǎn)生裂紋時(shí)，由于內(nèi)部裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，其導(dǎo)電性會(huì)發(fā)生很大變化，因此可用于檢測(cè)與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、功能完整性有關(guān)的損傷，這種功能使復(fù)合材料具有自檢功能，從而確保裝置的安全性和穩(wěn)定性。

圖5. 智能損壞檢測(cè)應(yīng)用

該工作以“Spiderweb-inspired Fabrication of 3D MXene Hybrid Filler with Multilayer and Multiscale Features for Multifunctional Polydimethylsiloxane Composites”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊《Chemical Engineering Journal》上（影響因子15.1）。上海工程技術(shù)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院碩士生唐女凡和李情蘭為論文共同第一作者，宋仕強(qiáng)副教授為通訊作者，參與者還包括上海工程技術(shù)大學(xué)江振林副教授和左志成副教授，五邑大學(xué)劉子瑾博士以及上海交通大學(xué)張勇教授。該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持，并感謝期刊編輯和審稿人對(duì)論文的幫助。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723041487?dgcid=author

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（責(zé)任編輯：xu）

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