碳纳米管填充聚合物基导热复合材料的研究进展

电子器件的集成度不断提高,对相关的热管理系统提出了更高的要求.高导热材料在热管理领域起着重要的作用.高分子聚合物因其轻质、廉价、良好的绝缘性和加工性,已成为制备导热材料的热门选择.在聚合物中填充高导热的无机填料是提高导热性能的有效手段.碳纳米管是一种具有一维管状结构和优异热学性能的碳纳米材料,在填充型导热复合材料中具有广阔的应用前景.本文综述了以碳纳米管为导热填料提升聚合物基复合材料导热性能的可行措施,分析了碳纳米管的本征结构以及在聚合物基体中的分布状态对复合材料导热性能的影响.最后,总结了碳纳米管填充聚合物基复合材料研究中仍需解决的关键问题,并提出了未来研究方向.     

纳米填料的分散以及界面作用对橡胶复合材料动态性能的影响

绿色轮胎与传统轮胎相比,具有滚动阻力小、生热低、耐磨等优异的特性,突显出了低碳环保、绿色节能的优势.因此,绿色轮胎的研究和开发具有十分重要的意义.为了使橡胶复合材料性能满足绿色轮胎的要求,纳米填料的填充对其性能具有关键性作用,因此,利用新型纳米填料提高橡胶的动态性能,如抗湿滑性、滚动阻力、耐磨性以及生热等成为了学术界及工业界研究的热点之一.然而,影响橡胶复合材料动态性能的因素较复杂,本文主要从填料的分散以及填料与基体间的界面相互作用展开,探讨不同改性方式对传统纳米填料(如炭黑、白炭黑等)和新型纳米填料(如石墨烯、黏土等)在橡胶基体中分散状态的影响,以及填料分散和填料-基体界面相互作用对橡胶复合材料动态性能的影响.     

高弹性高导电稳定性炭黑/碳管/硅橡胶复合材料的设计与制备

采用少量炭黑(CB)和少量碳纳米管(CNTs)并用,通过调控CB和CNTs在甲基乙烯基硅橡胶(PMVS)基体中的网络结构,成功制备了低导电填料下高弹性、高导电性、高循环拉伸导电稳定性的PMVS-CB-CNTs导电橡胶复合材料.当1.8%(体积百分比,下同)CB和1.2%CNTs并用时,复合材料体积电阻率降低至271Ωcm, 30%拉伸应变下的体积电阻率(R/R0)为2.1,10次循环拉伸再回复后其R/R_0低至1.3.CNTs是原位生长在层状双氢氧化物表面而制备的碳管阵列(CNTA),其与橡胶混炼加工时易于解离成单根分散碳管,不易缠结,且其高长径比有利于低填料量下获得高导电性;而CB的各向同性能够使复合材料拉伸回复后形成新的导电通路.由于所用CNTs具有纳米弹簧效应,复合材料保持了良好的弹性和柔顺性.进一步研究了复合材料在拉伸应变过程中的电导性的变化和循环拉伸导电稳定性,以及拉伸应变下导电网络结构变化和拉伸前后的填料网络结构变化,探明了复合材料导电网络结构与导电性及导电稳定性的关系.结果表明,低含量CB和CNTs可在橡胶基体中形成较强的双导电网络结构;拉伸时,CNTs作为桥梁连接单个的CB粒子及其聚集体,导电网络破坏较小;经循环拉伸再回复后,CB和CNTs又可回复形成较强的双导电网络结构,因此该复合材料电导性较高,且单次拉伸和循环拉伸导电稳定性均较好.     

导电粒子填充HDPE复合材料的非线性导电特性与标度行为

以高密度聚乙烯(HDPE)为基体、炭黑(CB)或石墨(GP)为填料的共混物是重要的且应用广泛的高分子PTC材料. 基于GEM方程和由材料的体积膨胀导致填料体积分数的稀释效应, 建立了一个定量描述并解释基体体积膨胀对复合材料PTC突变贡献的唯象模型. 在电子束辐照HDPE/CB复合材料中, 交联聚合物基体体积膨胀对PTC效应的贡献减小. 在研究填料含量、环境温度和交联等对HDPE导电复合材料自发热行为和电热平衡态非线性导电行为影响的基础上, 根据自发热温度与电场、初始电阻, 以及电热平衡态电阻与自发热温度的关系, 揭示了高分子PTC材料的自控温机制. 根据自发热临界点参量与材料电导率之间的标度关系, 建立了电热平衡态的宏观电学性能与微观渗流网络之间的联系.     

高导热膨胀石墨/硬脂酸定形相变储能复合材料的制备及储/放热特性

采用"熔融吸附-模压成型"的方法制备了膨胀石墨(EG)为多孔基体、硬脂酸(SA)为相变材料的EG/SA定形相变储能复合材料,通过微观形貌、热物性和热稳定性测试,分析了膨胀石墨的膨胀度对EG/SA定形相变储能复合材料的热性能影响规律,并通过加热/冷却实验对不同参数的定形相变储能复合材料的储/放热性能进行了分析比较.研究表明采用高膨胀度EG更有利于提高SA在EG多孔基体中的分布均匀性和储能复合材料的热导率,当EG质量分数为20%时其径向导热系数最高达19.6 W m~(-1)K~(-1),相比纯SA提高了110倍;EG的高膨胀度对SA相变过程中的液相封装具有明显的改善作用,高膨胀度EG为基体的定形相变储能复合材料具有很好的热稳定性;EG/SA定形相变储能复合材料的储/放热时间约为纯相变材料的1/8~1/4,具有高导热、无泄漏等优点.     

自生纳米级TiN、AlN颗粒增强Al基复合材料的制备与形成机制

自反应原位复合材料由于其制备工艺相对简化、材料制造成本低、制成材料性能优异可控等优点而日益受到人们的重视。现在,自生金属基复合材料的研究主要集中在如何充分利用自生金属间化合物或陶瓷粒子的弥散强化作用,希望有足够体积分数细而硬的第二、第三相颗粒弥散分布于基体上,同时又能得到细化的基体组织。本文以通过气-液反应加快速凝固技术得到了纳米级TiN、AlN颗粒晶内增强铝基复合材料。     

金属泡沫固体复合材料的周期性非稳态热响应特性

金属泡沫是一种高导热性多功能材料,内部传热有明显的局部非热平衡特性,而在导热中的热响应特性与外界环境密切相关.本文基于两方程模型研究了填充固体石蜡的金属泡沫复合材料在非稳态过程中的热响应特性.结果表明,金属泡沫与石蜡间存在局部非热平衡效应,需采用两方程模型计算.当环境温度随时间作周期波动时,金属泡沫内温度场也呈周期波动,并且,随环境温度波动周期的增大,局部非热平衡效应先增大后减小,即存在一个共振周期使得局部非热平衡效应最明显.在外界温度波动幅度一定时,金属泡沫内温度振幅随波动周期的增大呈对数趋势增大,不同位置振幅的衰减程度不同,距加热面越远衰减越多.本文还详细讨论了金属泡沫的孔隙率、孔密度、热扩散率,以及石蜡中含纳米颗粒添加物对复合材料热响应特性的影响程度.在实际应用中,应综合考虑这些影响因素,从而使该复合材料的换热性能达到最优.本文揭示了金属泡沫导热中金属骨架相和填充固体相的温度差异,对于多孔介质非稳态热传导的局部非热平衡特性具有直接的科学意义.     

碳纤维树脂基复合材料的高性能化

碳纤维及复合材料是关乎国家安全必须自主保障的关键战略材料,而树脂基(含量在35%以上)是碳纤维树脂基复合材料的两大材料基元之一,直接决定着复合材料的服役性能与成型工艺性.北京化工大学先进复合材料研究中心(AdvancedCompositesCenter,ACC)团队针对碳纤维用高性能树脂基体国产化存在品种缺乏及不成系列等突出问题,面向国家重大战略需求,在解决国家碳纤维树脂基复合材料的"无"和"有"的"顶天立地"方向上开展了一系列基础理论和应用基础研究,推动了国产碳纤维从"能用"向"好用"的质的飞跃,支撑了国内碳纤维树脂基复合材料研究由跟踪仿制的"跟跑"到自主创新的"并跑"的根本转变,取得了一系列重要创新成果.本文简述了ACC团队近10年在碳纤维专用树脂分子结构模拟设计及交联网络调控、碳纤维树脂基复合材料界面相容新机制的探究、碳纤维树脂基复合材料多级增韧增强方法学的构建、碳纤维高性能树脂基体的制备技术发展及碳纤维树脂基复合材料成型工艺的创新及其产品工程等方面的基础研究成果及关键技术突破,并对碳纤维树脂基复合材料高性能化的发展方向进行了展望.     

阴-非离子混合表面活性剂对黑麦草吸收菲和芘的影响

研究了水培体系中SDBS-TX100阴-非离子混合表面活性剂对黑麦草吸收菲和芘的影响. 结果表明, SDBS-TX100能促进黑麦草吸收积累菲和芘, 其作用机制是促进了黑麦草根对菲和芘的吸收. SDBS-TX100增强黑麦草吸收菲和芘的程度与混合表面活性剂配比、浓度以及有机污染物本身的性质等密切相关. 不同配比的SDBS-TX100在临界胶束浓度(CMC)附近对黑麦草吸收菲和芘的促进作用最显著, 并且较单一表面活性剂能在更大浓度范围内促进黑麦草吸收积累菲和芘. 随SDBS摩尔分数的增大, SDBS-TX100对黑麦草吸收菲和芘的促进作用增强, 其中对菲的促进效果更为显著; 当SDBS-TX100摩尔比为9:1时, 根中菲和芘的最大浓度分别是无表面活性剂对照处理的216和8.16倍.     

PP/EPDM共混体系脆韧转变的逾渗模型

Wu等在研究尼龙-6(N6)与双马来酸酐接枝改性EPDM共混体(超韧尼龙)冲击强度(S_l)与橡胶含量(V_f)关系时得到了脆韧转变的主曲线,该主曲线表明:分散相EPDM在N6基体中分散的形态可用分散相相邻粒子间的面间距(亦称基体层厚度,T)来定量描述。而T可由分散相粒径(d)、体积分数(V_f)按(1)式计算得出:     

溶胶-凝胶法制备超细氮化铝粉末的研究

氮化铝(AlN)陶瓷由于兼具高热导率等许多优良特性,为人们所重视。作为制备AlN制品必由之路,AlN粉末的制备,主要采用两种方法,即铝直接氮化法(Geuther法)和Al_2O_3碳热还原氮化法(Serpek法),其中尤以后法为优。但后法由于铝碳难以均相混合、铝碳结合性和Al_2O_3反应活性差等原因,氮化合成需要较高的温度和较长的时间,因而     

片状羰基铁/石蜡复合材料的高频磁性

以球形羰基铁粉为原料, 在不同转速下球磨, 比较了不同球磨速度下样品的形貌和静态磁性. 将球磨后片状样品以50%体积浓度与石蜡均匀混合制备复合材料, 利用同轴线法在0.1~18 GHz频率范围内研究其复数磁导率随频率的变化. 球磨后片状样品的低频磁导率实部值较未球磨样品明显增大, 共振频率向高频方向移动, 在1.5~16 GHz频率范围内磁导率虚部值增大. 将复合材料在磁场内旋转取向, 可以近一步提高样品的复数磁导率, 其磁导率实部值在0.1 GHz时为12.1, 在2 GHz时为11.1, 磁导率虚部最大值为6.2. 可见, 片状羰基铁粉复合材料是一种好的高频软磁材料.     

高导热聚合物复合绝缘材料研究进展

近年来,电气电子设备不断向高功率密度化、小型轻量化和高度集成化的方向发展,设备单位体积发热量和温升急剧增加,热量积聚会加速绝缘老化并严重影响设备运行的可靠性和寿命.提高绝缘材料导热能力是提升电气电子设备散热能力的关键.本文综述了近年来国内外高导热复合绝缘材料的研究现状与进展,重点讨论了聚合物基体的结晶度、分子链间相互作...     

碳纳米管/碳纤维跨尺度界面增强体系构建的研究进展

伴随着国防工业、先进装备制造等领域的不断发展,人们对复合材料的应用要求不断提高.碳纤维增强复合材料因其具备高强度、轻量化、长寿命的特点,与该领域材料的使用要求产生了高度适配.但在实际应用过程中,碳纤维惰性表面与聚合物基体间的弱界面结合严重影响了复合材料优异性能的充分发挥.构建微尺度、多维度碳纳米管/碳纤维界面增强体系被认为是提高相间结合能力的有效技术手段.本文综述了化学气相沉积、电泳沉积、化学接枝、浸涂喷涂4种较为成功的构建路线,讨论了碳纳米管在碳纤维表面的差异化微观沉积形貌所对应的不同界面增强机理,探讨了界面增强体系对复合材料综合性能的影响,并对该体系未来的构建和研究方向进行了展望.     

高性能轮胎用橡胶纳米复合材料的制备与性能

"节油、安全"的高性能轮胎已成为世界汽车轮胎的发展趋势.构成轮胎的橡胶复合材料中,胎面胶、钢丝圈垫胶和气密内衬层胶等高性能纳米复合材料是发展节油轮胎的关键材料.胎面胶是轮胎与路面直接接触的部分,要求具有低滚动阻力、高抗湿滑性能和优异的耐磨性;钢丝圈垫胶位于钢丝圈上端,起到填充和加强胎圈的作用;气密内衬层胶贴覆在轮胎内表面,起到保持轮胎气压的作用.本文主要介绍了近年来胎面胶用白炭黑/橡胶纳米复合材料、钢丝圈垫胶用针状硅酸盐/橡胶纳米复合材料、气密内衬层胶用黏土/橡胶纳米复合材料,以及含碳纳米管和石墨烯增强的新型橡胶纳米复合材料的制备方法、性能特点及应用状况,并对将来的发展进行了展望.     

异形混合非球形颗粒在移动床中流动特性的数值模拟

采用多元颗粒模型构建了3种非球形颗粒即玉米形颗粒、圆柱形颗粒和椭球形颗粒.分析了异形混合非球形颗粒的碰撞机理及典型碰撞形式,建立了混合非球形颗粒的运动方程,模拟了混合非球形颗粒在移动床中的流动情况,并通过实验验证了模型的可靠性.同时探讨了异形混合非球形颗粒在移动床中的下料率、流型、概率分布特性、空隙率分布等流动特性.结果表明,混合非球形颗粒的下料率和单一均质非球形颗粒的下料率基本相同,而球形均质颗粒的下料率较球形非球形混合颗粒的下料率大;混合非球形颗粒的MFI值(即移动床边壁处与中心处的颗粒速度的比值)和相应的均质颗粒的MFI值较为接近;球形及球形非球形混合颗粒的概率密度分布一般只有1个峰值,而非球形颗粒及非球形混合颗粒的概率密度分布均有2个峰值;3种异形混合颗粒的壁面效应和平均空隙率几乎相同.     

氮化钛超微细粉PTFE基复合材料的摩擦性能

聚四氟乙烯（PTFE）是一种广泛应用的固体润滑剂,其特点是润滑性优异,比磨损率较高。高比磨损率的主要原因是机械强度较差,在高负荷或高速滑动下,因过大的粘弹性变形和转移膜与偶面附着性差而不断在磨损中剥落所致。为了降低PTFE的比磨损率,主要是采取填充填料（纤维、无机粉末、有机物和金属等）制成复合材料来使用,对其减磨机理和效果有过报道。迄今,粉末填充的颗粒都较粗,对填充超微细粉（UFP）复合材料的磨损性能研究很少。     

基于火积耗散率最小的“盘点”导热构形优化

基于构形理论, 以火积耗散率最小为优化目标, 对“盘点”导热进行了构形优化, 并确定了圆盘中高导热材料采用辐射状布置还是树状布置的临界点. 结果表明, 两种材料导热系数之比和高导热材料所占体积比的乘积决定了该临界点的位置; 基于火积耗散极值原理可以设计出圆盘传热性能最优的构形. 对比分析以火积耗散率最小和最大温差最小为目标的优化结果, 发现分别对应两种优化目标的最优构形明显不同. 当两种材料导热系数之比和高导热材料所占体积比的乘积值为30时, 对于前者, 高导热材料采用辐射状布置还是树状布置的临界点为圆盘无量纲半径等于1.75, 而后者的临界点为圆盘无量纲半径等于2.18. 前者的最优构形相比后者的最优构形可以较大程度降低圆盘的平均传热温差, 明显地改善了传热性能.     

硼酸铝晶须增强磷酸铝基透波材料的制备

以磷酸铝粉末为基体, 以硼酸铝晶须为增强体, 采用常压烧结工艺制备了硼酸铝晶须/磷酸铝陶瓷透波材料. 实验结果表明: 硼酸铝晶须对磷酸铝基体的热膨胀起到了抑制作用, 对基体起到了补强增韧作用. 硼酸铝晶须含量为30%(体积分数)的样品在1050℃烧结1 h后, 抗弯强度达到215.3 MPa, 在10 GHz频率下的相对介电常数(ε)和介电损耗角正切值(tanδ )分别为4.23和0.0024.     

碳纳米管在热管理材料中的应用

碳纳米管由于具有优异的导热、导电和机械性能,为开发多功能导热材料提供了技术支持.本文综述了近年来碳纳米管在热管理材料领域的研究现状,探讨了碳纳米管在改性导热填料、各向异性碳纳米管薄膜导热膜材料以及复合热界面材料的研究与应用现状,并提出高密度、高取向碳纳米管薄膜及大管径碳纳米管阵列复合薄膜材料有望成为解决未来高频、高速器件、柔性器件等散热问题的优良材料体系之一.