相變導熱材料由于具有高效散熱和溫度調控能力而逐漸被廣泛關注。然而，其實際應用還存在一些問題，包括導熱系數偏低，缺乏電磁防護性能、柔性較差和容易泄漏。因此，開發具有超高導熱系數、強電磁屏蔽和無相變泄漏的柔性相變導熱材料非常重要。
近期，華南理工大學郭建華教授和蔣興華研究員團隊采用化學接枝法合成了聚乙二醇-改性聚硅氧烷（pPDMS），作為柔性相變導熱材料的基材。此外，制備了一種銀納米顆粒修飾的膨脹石墨（Ag-EG），實現了零維，二維以及三維填料的組合，并將其與pPDMS基材均勻共混，通過熱壓作用使膨脹石墨壓實并取向，制備得到Ag-EG@pPDMS復合材料（圖1）。掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）照片顯示，Ag-EG在材料內部形成了三維取向結構，銀納米粒子位于膨脹石墨的表面和片層之間，構建了水平和垂直方向上的多重導熱通路（圖2）。因此，Ag-EG@pPDMS在平面和垂直方向上都具有高導熱系數，分別為23.4和 8.1 W·m?1·K?1。為進一步研究三維取向結構對材料導熱性能的影響，團隊根據有效介質理論（EMT）和Foygel熱傳導模型，通過有限元模擬證明三維取向結構能夠顯著提高材料的導熱性能（圖3）。此外，Ag-EG@pPDMS具有優異的相變循環穩定性，在經過300次相變循環后，相變熱焓保持率為99.6%，且在溫度和壓力作用下無相變材料泄漏（圖4）。Ag-EG@pPDMS還具有出色的電磁屏蔽性能，當樣品厚度為2.0 mm時，電磁屏蔽效能（EMI SE）達到73.2 dB； 而當厚度僅為0.5 mm時，EMI SE也能達到52 dB（圖5）。通過電腦CPU、無線藍牙耳機等設備對Ag-EG@pPDMS進行熱管理和電磁防護的應用考核，結果表明復合材料在熱管理和電磁防護領域具有良好的應用前景（圖6）。Ag-EG@pPDMS復合材料優異的綜合性能使其可用于消費電子、5G通訊和新能源汽車等領域。
圖1. Ag-EG@pPDMS復合材料的制備過程示意圖和部分特性展示
圖2. Ag-EG@pPDMS復合材料的結構表征以及導熱通路設計
圖3. Ag-EG@pPDMS復合材料的導熱性能、理論模型以及導熱的有限元仿真
圖4. Ag-EG@pPDMS復合材料的相變功能、無泄漏特性以及熱重分析曲線
圖5. Ag-EG@pPDMS復合材料的電磁屏蔽性能和屏蔽機理
圖6. Ag-EG@pPDMS復合材料在熱管理、電磁屏蔽方面的應用展示
原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836824008540
