用于热管理的分层导热聚合物纳米复合面料

由于固体材料的导热系数与电气系统的温度变化成反比，这就要求导热材料表现出与温度相适应的热传输能力，并集成到动态负载条件的电气系统的热管理中。管理电导体中的热量是满足能源可持续使用和电力可靠性需求的一个主要挑战，尤其是在电力电子设备和能源关键型电机中更为重要。要实现这些不同的功能，如热可靠性和电可靠性，就需要合理地设计导热材料的结构。

02、成果掠影

近期，布法罗大学Shenqiang Ren研究团队提出了分层导热纳米复合面料，由纳米结构陶瓷共形涂层和混合排列的超高分子量聚乙烯纤维组成，可定制电导体的散热。混合排列的热界面具有非常理想的各向异性高导热系数，可达0.98W/mK，介电强度为3.4。此外，电隔热界面在动态负载条件下表现出高性能和可靠的电气系统。在相同的电负载下，非均匀陶瓷-聚合物封装导体的表面温度比聚合物封装导体低17.8℃。研究成果以“Hierarchical thermal-conductive polymer nanocomposites for thermal management”为题发表于《Applied Materials Today》。

图1 a. 由超高分子量聚乙烯（UHMWPE）和陶瓷涂层组成的导热材料示意图。(I)排列UHMWPE纤维。（II）陶瓷涂层UHMWPE纤维。（III）异质陶瓷UHMWPE薄膜。（IV）异质薄膜涂层铜线。(V)异质薄膜盆栽铜线。b.热导率、密度和介电常数图和典型的聚合物。

图2 a.UHMWPE涂层铜导线与UHMWPE聚合物链方向夹角的铜导线示意图。b.带有UHMWPE涂层的铜线的光学图像。c.UHMWPE涂层铜线的温度衰减曲线与电流方向和UHMWPE链方向的温度衰减关系。(d)不同输入功率下UHMWPE涂层铜线的温度图。

图3 a. 超薄氧化铝涂层UHMWPE纤维的扫描电镜及其相应的能量色散x射线光谱（EDS）。b.超薄氧化铝涂层UHMWPE光纤的透射电镜（TEM）图像。c.二氧化硅涂层UHMWPE光纤的扫描电子显微镜及其相应的能量色散x射线光谱（EDS）。d.二氧化硅涂层UHMWPE光纤的透射电镜（TEM）图像。e.UHMWPE/二氧化硅异相薄膜。插图显示了涂覆在UHMWPE纤维上的二氧化硅纳米颗粒组装。f-g.UHMWPE、UHMWPE/氧化铝和UHMWPE/二氧化硅的傅里叶变换红外光谱（FTIR）和热重分析。