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新型橡膠復(fù)合材料:導(dǎo)熱率媲美金屬、柔軟如橡膠

新型橡膠復(fù)合材料:導(dǎo)熱率媲美金屬、柔軟如橡膠

發(fā)布日期:2020-05-06 作者: 點(diǎn)擊:

新型橡膠復(fù)合材料:導(dǎo)熱率媲美金屬、柔軟如橡膠。

   東京大學(xué)和日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(產(chǎn)綜研)通過將碳納米纖維(CNF)和碳納米管(CNT)兩種纖維狀碳材料與環(huán)狀高分子材料聚輪烷結(jié)合在一起,開發(fā)出了像橡膠一樣柔軟,并且導(dǎo)熱率與金屬不分伯仲的橡膠復(fù)合材料。新型橡膠復(fù)合材料在順CNF排列方向具有14W/mK的高導(dǎo)熱率,同時(shí)具備高柔軟性。                               此次開發(fā)的材料有望應(yīng)用于柔性電子器件的熱夾層材料、散熱片和散熱板等。
   近年來,用于柔性電子器件的熱層間材料和散熱片等表現(xiàn)出高散熱性的柔軟熱管理材料備受矚目。這些材料除了高導(dǎo)熱性之外,還需要低楊氏模量、高拉伸強(qiáng)度、高韌性等機(jī)械特性。因此作為下一代的導(dǎo)熱柔性材料,靈活的橡膠材料和導(dǎo)熱性高的CNF和CNT的復(fù)合材料被精力充沛地研究開發(fā)出來。
   納米纖維(Celluouse Nanofibers,CNF)由纖維素(Celluouse)進(jìn)行納米化(超微細(xì)化)處理后制成,具有“輕盈、強(qiáng)韌、環(huán)?!钡奶攸c(diǎn)。CNF受到關(guān)注的原因在于它的一個(gè)特性——“重量是鋼鐵的五分之一,強(qiáng)度卻是鋼鐵的五倍以上”。如果混入樹脂和橡膠之中,就可以制作質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的汽車零部件。
碳納米管CNT被稱為終極纖維,是由單層石墨同軸纏繞成管(單壁碳納米管)或由單壁碳納米管沿同軸層層套構(gòu)而成的管狀物(多壁碳納米管)。碳納米管直徑一般在一到幾十納米之間,長度則遠(yuǎn)大于其直徑,具有許多超常的物理性能(力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué))和化學(xué)性能,是一維碳納米材料。作為人類迄今為止發(fā)現(xiàn)的力學(xué)性能最好材料,碳納米管有著極高的拉伸強(qiáng)度、楊氏模量和斷裂應(yīng)變。
    然而,盡管CNT的熱導(dǎo)率超過2000W/mK,但是為了實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的熱導(dǎo)率2W/mK,需要添加10wt%。另外,如果添加大量的CNF,復(fù)合材料的柔軟性就會喪失,變得脆。一般來說,纖維狀碳凝集性強(qiáng),難以均勻分散在復(fù)合材料中,因此難以在復(fù)合材料整體上形成纖維狀碳相互接觸而連接的熱傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。  

另外,大的纖維狀碳凝集體和橡膠材料的界面成為變形時(shí)破壞的起點(diǎn),成為脆化的主要原因之一。
此次開發(fā)的橡膠復(fù)合材料在聚輪烷中分布了兩種不同尺寸的纖維狀碳材料(CNF和CNT)作為填充物。CNF粗200nm,長10——100μm,CNT粗10——30nm,長0.5——2μm。改善纖維狀碳材料在橡膠材料中的分散性以及在復(fù)合材料中形成導(dǎo)熱網(wǎng)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱率的關(guān)鍵。為改善分散性,將CNF和CNT(CNF:CNT重量比為9:1)分散于氯化鈉水溶液中,利用自主開發(fā)的流通式水中等離子體重整器對其實(shí)施了表面改性。
    接下來,在甲苯溶劑中將已表面改性的CNF/CNT混合物與聚輪烷、催化劑和交聯(lián)劑混合,然后放入交流電場處理用容器中,再施加交流電場使之發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),制作成凝膠。之后用烤箱加熱獲得的凝膠,去除溶劑,就獲得了薄膜狀復(fù)合材料。
    此次開發(fā)的復(fù)合材料內(nèi)部電子顯微鏡圖像。通過實(shí)施表面改性,繭狀聚集物松散開,CNF沿施加的電場方向排列。另外,較小的CNT纏繞在較大的CNF外面,將CNF連接在一起。研究認(rèn)為,通過以少量的CNT連接CNF,在整個(gè)復(fù)合材料中形成了導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò),從而實(shí)現(xiàn)了高導(dǎo)熱率。
在日本,CNF的研究和開發(fā)工作已活躍多年,現(xiàn)已取得重大成果。研究、開發(fā)CNF的主力,是日常業(yè)務(wù)中使用紙漿的日本制紙、王子控股(HD)等造紙公司以及東京大學(xué)等。
    京都大學(xué)生存圈研究所矢野浩之教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)正在推進(jìn)用CNF替代鐵制汽車車身和車架的研究。如果能實(shí)現(xiàn)車輛輕量化,那么燃油經(jīng)濟(jì)性將得以提高。二氧化碳的排放量也會減少。從長遠(yuǎn)來看,甚至有可能像碳纖維那樣用于制造飛機(jī)機(jī)身。
    2019年底,由工業(yè)、學(xué)術(shù)和政府機(jī)構(gòu)組成的聯(lián)盟合作在日本環(huán)境省的NCV(納米纖維素汽車)項(xiàng)目中,利用纖維素納米纖維制成了一款NCV輕量化概念車。概念車在內(nèi)飾與車身面板上盡可能多的采用基于纖維素納米材料(CNF)的部件,使車輛重量減輕10%以上。



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