基于六方氮化硼三维网络的导热绝缘高聚物复合材料的可控制备、性能与机理研究

Insulating polymer composites with highly thermal conductivity have important applications on manufacturing fields, such as microelectronics, aerospace engineering, electromechanics, owning to their excellent thermal and insulative properties. Constructing controllable three-dimentional (3D) network structure for conducting heat flow is the key issue for producing those polymer composites. The project plans to use hexagonal boron nitride (hBN), which has excellent thermal and insulative properties, as the heat transfer channel in a polymer composite. By use of chemical vapor deposition (CVD) method or assembly of hBN nanosheets in a solution, we will realize the controllable preparation of 3D-network of hBN. The well-prepared hBN 3D-network is then used as the thermal transfer channel to combine with polymer matrix. The relationship between the structure of hBN 3D-network and variety of experimental parameters will be investigated in detail. The formation mechanism of 3D-network as well as the main factors influencing its controllable preparation will be revealed. Based on these studies, we will understand the structure of 3D-network, the interface properties and the interactions between hBN network and polymers, as well as their effects on the phonon heat transfer of polymer composites. We will figure out the quantitative relationship between the properties and the structures of thermally conductive composites, and realize the controllable preparation of the polymer composites with highly thermal conductivity. This project may provide an important foundation and guidance for developing insulating polymer composites with highly thermal conductivity.

高导热绝缘聚合物复合材料由于具有良好的热传导与绝缘性能，在微电子、航空航天、电机等诸多高科技制造领域有着十分重要的应用。构建结构可控的三维导热网络通道是制备该复合材料的关键问题。本项目拟选择具有优异导热绝缘性能的六方氮化硼（hBN）作为高导热材料，利用hBN片层溶液组装法和化学气相沉积法（CVD）可控制备hBN三维网络，并将其作为复合材料的导热网络与高聚物复合。系统研究hBN三维网络形成与各种控制参数的变化关系，揭示三维网络的形成机理与影响其可控制备的主要因素。在此基础上，研究hBN三维网络结构、网络与高聚物基体间的界面性质和相互作用，探索它们对聚合物复合材料声子热传导的影响规律，发现材料导热性能与结构的关系，最终实现高导热聚合物复合材料的可控制备。本项目的实施对发展高性能导热绝缘聚合物复合材料具有重要的研究价值和指导意义。

热聚集和热耗散正成为制约现代电子产品运行性能和使用寿命的一个关键问题。然而当前所发展的普通聚合物材料已经难以满足快速发展的电子工业需求，因此，开发新型具有优秀导热和绝缘性能的聚合物复合材料就迫在眉睫。六方氮化硼（hBN）作为一种典型的二维材料，被认为是制备导热绝缘高聚物复合材料的理想填料。鉴于此，本项目通过研究构建hBN三维网络的方法与机理，明确了hBN片层结构特性与所形成的三维网络中的片层搭接方式、网络连接方式和结构的对应关系，阐明了hBN三维网络与高聚物基体的界面结构和性质对复合材料热导性能的影响机制，进而通过合理设计制备出高性能导热绝缘聚合物复合材料。研究结果表明：通过改变溶剂、表面活性剂和球磨时间等条件，可对hBN剥离层数、尺寸分布和结构进行调控；采用化学交联与非化学交联两种方法制备hBN三维网络，建立了hBN片层结构特性与所形成的三维网络中的片层搭接方式、网络连接方式和结构的对应关系；将hBN三维网络与高聚物基体复合，明确了复合材料热导性能随hBN片层间堆叠、连接方式以及三维网络结构疏密程度、网络骨架尺寸大小等的变化规律，探讨了具备高效声子传播通道的三维网络的微观结构特征；通过hBN官能化、表面修饰等技术手段，改善hBN纳米片之间、hBN纳米片与高聚物基体之间的相容性，揭示了hBN三维网络与高聚物基体的界面结构和性质对复合材料热导性能的影响机制。本项目的实施对发展高性能导热绝缘聚合物复合材料具有重要的研究价值和指导意义。项目实施过程中，发表SCI学术论文12篇，其中，一区论文6篇。申请国家发明专利3件。