新型热驱动功能纳米Cu/石蜡复合材料的制备及其导热机理研究

Paraffin is chemically inert,.rather inexpensive. Furthermore, it has the advantage of large coefficient of volume expansion and low compressibility when the temperature reaches to its melt point. It is suitable for using as the expansive material of the High-power microactuator.While paraffin has very low thermal conductivity which necessitates high power consumption and long actuation times-unfavorable features for an effective actuator. Since copper is highly thermal conductive, it can be used to synthesize a new kind of copper/paraffin composites with high thermal conductivity. It is a new challenging research topic of applying this new material in highly effective actuator. This project aims at the synthesis of copper(Ⅱ) formate complex as precursor, direct thermal decomposition of the complexes by the way of oil bathing in the melted paraffin media, and single-step preparation of nanocopper/paraffin composites. In this work, the influence of organic ligand on thermal decomposition temperature and solubility of complex precursor in paraffin is studied, as well as the effect of thermal decomposition process on the microstructure and thermal properties of composites. The formation and growth mechanism of nanoparticles is disclosed. The mathematical model of the relationship among the thermal decomposition process, microstructure of composites and heat-driven performance is proposed. Further, the conduction mechanism of composites is discussed. This project can provide theoretical guidance and experimental basis for the Preparation of Nanocopper/ paraffin composites by thermal decomposition. It is of great significance to deepen the understanding of thermal conduction mechanism of composites, and to promote the development of microactuator technology.

石蜡在熔点附近具有较大体膨胀率、极低压缩率且化学性质稳定、价格便宜，在高功率微驱动器方面具有巨大的应用潜力。但石蜡极低的热导率导致微驱动器需要更高能量消耗和更长驱动时间，限制了其使用领域。由于Cu具有很高的导热系数，因此，将Cu与石蜡结合形成一类新型高导热性能相变材料，用于微驱动器将是一个新的具有挑战性的研究课题。本项目通过合成Cu(HCOO)2配合物前驱体，选择熔化石蜡作为油浴介质，直接热分解配合物，单步制备纳米Cu/石蜡复合材料。研究有机配体对配合物热分解温度及其在石蜡中溶解度的影响规律；热分解工艺对复合材料微结构、热物性的影响规律及纳米粒子的形成、长大机理；热分解工艺、微结构和热驱动性能之间关系的数学模型；复合材料的导热机理。本项目的研究不仅能为热分解制备纳米Cu/石蜡复合材料提供理论指导和实验基础，而且对加深相变热驱动复合材料导热机理的理解，促进微驱动器技术的发展具有重要的意义。

石蜡在其熔点附近具有较大的体膨胀率、极低的压缩率且化学性质稳定、价格便宜，在高功率微驱动器方面具有巨大的应用潜力。但石蜡极低的热导率导致微驱动器需要更高的能量消耗和更长的驱动时间，限制了其进一步发展。在石蜡中添加高导热颗粒形成石蜡基复合材料有望提高其热导率，强化传热能力。.本项目采用有机物前驱体热分解法，以石蜡为反应溶剂和保护剂，通过改变前驱体和分散稳定剂，单步制备了不同种类的微纳米铜基颗粒及其与石蜡形成的复合材料，使石蜡包覆在颗粒表面，形成一层保护膜，隔绝颗粒和空气的接触，提高颗粒的抗氧化性能，省去了颗粒的收集和存放环节。主要成果如下：. 以甲酸铜-辛胺配合物为前驱体，在石蜡体系中制备了纳米铜及纳米铜/石蜡复合材料，研究了反应温度和前驱体浓度对纳米铜形貌、尺寸及其分布的影响，并讨论了纳米铜的生长机理。在上述实验基础上，加入分散稳定剂油胺，制备了油胺修饰纳米铜及纳米铜/石蜡复合材料。通过改变反应温度、反应时间和油胺浓度，获得了微纳米级的铜空心球和实心球。深入研究了铜空心球结构的形成及其演变机理。以油酸代替油胺，制备了油酸修饰Cu2O微晶及Cu2O微晶/石蜡复合材料。通过改变油酸浓度、反应时间、反应温度和前驱体浓度，获得了菱形十二面体和立方体Cu2O晶体，深入研究了不同形貌Cu2O微晶的生长机理及菱形十二面体微晶的形貌演变过程。此外，对纳米铜修饰碳纳米管/石蜡复合材料的制备工艺及其热性能进行了初步探索。上述四种石蜡基复合材料的热敏性较纯石蜡均明显提高。微纳米颗粒和分散稳定剂的添加，使复合材料的体膨胀率有所下降。采用分散稳定剂对颗粒进行表面修饰能够显著提高复合材料的热稳定性，其中油酸比油胺更有利于改善复合材料的热稳定性。. 本项目的研究不仅能为热分解制备微纳米铜基颗粒/石蜡复合材料提供理论指导和实验基础，而且对加深相变热驱动复合材料导热机理的理解，促进微驱动器技术的发展具有重要的意义。