纳米复合材料界面维度及组成对热量输运影响的研究

Interface is one of the key factors influencing the thermal conductivity of composite materials. The role of the interfaces becomes increasingly significant in nanoscale, since the interfacial thermal resistance approaches a magnitude similar to that of the nano-material itself. This research proposal aims to study the interface in the polymer nanocomposites. The complex interfaces are classified into several categories by employing interface dimension and interface composition, and the corresponding simplified geometric figures are drawn. For each category of interface, its effect on heat transport in the nanocomposite is studied by experimental test, theoretical calculation and computer simulation. The impact of interface tuning is correlated with the change of interface dimension and interface composition. Therefore it can be evaluated via the functional relation between interface thermal resistance and those of interface dimension and interface composition. The obtained result of interface thermal resistance is included in a previously developed unit cell model, which is used for calculating the thermal conductivity of polymer composite, to reflect the influence of micro interface on macro material thermal conductivity. The research work in this proposal can deepen the understanding of thermal conductivity of polymer composites and shed some light on the transport phenomenon at nanoscale, which provides guidance on preparing polymer nanocomposites and adjusting their performance.

界面是影响复合材料热导率的重要因素，纳米尺度时由于界面热阻的等效厚度与纳米材料的尺寸相当，因而界面的影响更加显著。本项目以聚合物纳米复合材料中的界面为研究对象，通过引入界面维度、界面组成等描述界面特征的参数来划分界面类别并描绘微观界面的物理图形。针对不同类别的界面，采用实验测量为主、理论分析和模拟计算为辅的方法深入研究界面的热量输运特性。将表面修饰等界面调控引起的效果划归为界面维度和界面组成的变化，经由界面热阻与界面维度、界面组成之间的关联，获得界面调控的评价和指引。在计算纳米复合材料整体热导率的单胞模型中，加入界面热阻的影响，建立微观界面导热性能与材料宏观热导率之间的联系。通过这些研究工作，加深对于复合材料导热性能的理解，尤其是获得对于纳米复合材料微观界面热量输运的科学认识，进而可以为纳米复合材料的制备和性能调控提供理论依据和方法指引。

填充纳米填料的导热复合材料可广泛用于能源、动力、电气、电子等领域。复合材料中的微观界面是影响材料的热导率等物理性能的重要因素，由于界面热阻的等效厚度为纳米量级（按照聚合物基材的热导率来折算），因此在纳米复合材料中界面的影响更加显著。本项目主要围绕填充二维导热填料的聚合物复合材料开展理论计算分析与实验制备测试等多方面的研究工作。理论方面，研究人员将微观界面细分为填料与填料之间的界面以及填料与基材之间的界面并建立了相应的模型，采用分子动力学模拟的方法计算了界面结合能、界面热阻等参数，分析了界面组成、界面维度等关键因素对热量传递影响的科学规律和作用机制。在此基础上，研究人员将微观界面特性与材料宏观导热性能相关联，建立了评估界面调控宏观效果的科学方法。实验方面，研究人员聚焦新型二维MXene材料，制备了纳米尺度的碳化钛薄片和微米尺度的碳化钛薄膜，借助先进的T型法实验装置测得了碳化钛薄膜热导率和电导率的实验数据。以此为基础，研究人员制备了碳化钛/环氧树脂复合材料，开展了复合材料的微观结构表征和宏观热学、电学等物性参数的测量。实验结果表明，填充二维碳化钛填料的环氧树脂复合材料具有优良的导热和介电性能，可以有效提高实际的散热性能。结合材料的微观结构表征结果可以发现，优良的物理性能与复合材料中填料的形貌、分布、界面等因素密切相关，合理调控这些因素可以更好地增强复合材料的性能。总体上，通过这些研究工作增强了对聚合物复合材料导热性能的理解，加深了对纳米复合材料微观界面热量输运的科学认识，研究中积累的成果可以为纳米复合材料的制备和性能调控提供理论依据和方法指引。