随着电子技术的进步，设备内部的集中发热对性能和寿命构成威胁。聚合物复合材料因其柔韧性、轻量化和可负担性而受到重视，但由于其低导热性而面临挑战，阻碍了其适应新兴技术。在聚合物材料中加入高导热填料已成为克服这些限制的一种有希望的解决方案。金属纳米填料因其优异的导热性和导电性以及较低的热膨胀系数而备受关注。值得注意的是，铜纳米材料因其相当的导热性和成本效益而脱颖而出。然而，铜纳米填料在热管理中的应用面临着构建导热通道和降低抗氧化性的挑战。为了使铜基聚合物复合材料在热管理方面得到更广泛的应用，人们已经做出了相当大的努力。 然而，在制备过程中，填料的随机分布给网络的高效构建带来了挑战。已经提出了各种方法来解决这一挑战，其中静电纺丝和热压相结合是一种很有前途的解决方案。静电纺丝技术有助于建立有序的热传导网络，保证热流方向一致。热压的协同作用进一步增强了导热网络结构的致密性，从而创造了更高效的传热通道。
近日，南京大学姚亚刚等团队针对通过优化材料网络结构提高热管理性能取得最新进展。在该文提出了一种使用静电纺丝和垂直堆叠热压的策略，将铜纳米粒子(Cu NPs)和铜纳米线(Cu NWs)沿着聚乙烯醇(PVA)纺丝纤维排列，形成一个平面内垂直互联的导热网络(图1)。该策略创建了一个平面内垂直互联的导热网络结构，同时保护了纤维内的填料，提供了双重好处。此外，多维混合填料的组合构建了桥梁结构，加速了高效互连传热路径的建立。因此，(Cu NPs-Cu NWs)@聚乙烯吡咯烷酮(PVP)/PVA (CNPW)薄膜在21 wt% Cu NPs和9 wt% Cu NWs的混合填料下获得了22.71 W/mK的高导热系数，比Cu@ NPs@PVP/PVA (CNP)薄膜高33.2%。此外，其优点还表现在增强的机械性能，良好的热稳定性和抗氧化性。研究成果以“Vertically interconnected structure enhances the thermal management capability of copper-based composites”为题发表在Composites Communications》。本文引自微信公众号《洞见热管理》。
图1. (a) CNP膜和(b) CNPW膜的制备示意图。
图2. (a) PVA纤维，(b) CNP-30纤维，(c) CNPW-21-9纤维的SEM图像。(d) PVA纤维的TEM图像。(e-f) CNPW纤维的TEM和HRTEM图像。(g)垂直堆叠CNPW薄膜的SEM图像。(h) CNPW薄膜的SEM横截面图。(i) CNPW胶片的光学照片。
图3. (a) CNP膜和(b)混杂填料CNPW膜的导热系数。(c) CNPW薄膜的导热性增强和比TCE。(d-e)热流传递示意图。(f)循环加热和冷却试验。(g) CNPW薄膜在30天内的导热系数变化。(h) CNPW薄膜和PVA的XRD谱图。(i) CNPW薄膜的XPS cu2p光谱。
图4.CNPW薄膜力学性能(a)强度应力-应变曲线，(b)抗拉强度，(c)抗拉模量，(d)韧性。(e) CNPW-21-9薄膜与CNP-30薄膜力学性能比较。(f) CNPW胶片的光学照片。
图5.(a)测试系统示意图。(b-c)红外热像图和LED温度随时间的变化
