導熱填料/導熱粉體空間分布對環(huán)氧復合材料導熱性的影響及機理探究

技術進步與市場需求促使電子元器件高度集成化、精密化，但隨之而來是發(fā)熱量增大問題，導致電子器件性能受影響。因此，開發(fā)高效熱管理復合材料，特別是高熱導率復合材料至關重要。然而，導熱填料/導熱粉體/導熱劑的復雜性不容忽視，其尺寸、形狀、組成、含量及空間分布狀態(tài)均對復合材料的導熱性能產(chǎn)生重要影響，且這些因素間存在復雜的相互作用，使得從現(xiàn)有文獻中難以準確計算與比較各因素導熱率的單獨貢獻，影響了高效導熱復合材料的構建。

針對此難題，湖北大學材料科學與工程學院近期開展了一項深入研究，系統(tǒng)分析了導熱填料不同空間分布狀態(tài)對復合材料導熱性能的獨立影響，并成功構建了導熱填料空間分布狀態(tài)與熱傳導之間的構效關系模型。該研究以聚酰胺酸（PAA）為粘結劑，創(chuàng)新性地運用溶膠-凝膠與冷凍干燥技術，構建了具有不同結構的銀納米線（AgNWs）氣凝膠骨架，為復合材料的高熱導率實現(xiàn)奠定了堅實基礎。

在環(huán)氧樹脂（EP）復合材料中，研究團隊精心設計了三種AgNWs填料空間分布狀態(tài)：隨機分布、連續(xù)填料網(wǎng)絡及連續(xù)且取向的填料網(wǎng)絡。實驗結果顯示，當AgNWs含量僅為1.07 vol%時，采用連續(xù)且取向填料網(wǎng)絡的復合材料熱導率便可達1.23W/(m·K)，展現(xiàn)出卓越的導熱性能。

為進一步揭示其內(nèi)在機制，研究結合了實驗數(shù)據(jù)、理論模型與有限元分析，深入探討了連續(xù)度、體系熱阻、骨架熱導率及逾滲閾值等關鍵因素。分析表明，導熱填料/導熱粉體/導熱劑的取向狀態(tài)在提升復合材料熱導率方面較其網(wǎng)絡連續(xù)性具有更為顯著的作用。這一發(fā)現(xiàn)為制備低填充量、高導熱復合材料提供了理論支撐與實踐指導。

值得一提的是，研究成果以“Single effect of filler spatial distribution states on the thermal conductivity of epoxy composites and their heat conduction mechanisms”為題發(fā)布在Composites Communications，并得到了國家自然科學基金（51903040）、湖北省教育廳（Q20211001）和湖北省教育廳科學研究計劃的資助。