近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所高分子與復(fù)合材料研究部研究員田興友和研究員張獻(xiàn)團(tuán)隊(duì)以低熔點(diǎn)合金為填料，在實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱與電磁屏蔽雙功能聚合物復(fù)合材料制備方面取得系列進(jìn)展。相關(guān)研究成果分別發(fā)表在Composites Part A-Applied Science & Manufacturing、Nanotechnology、ACS Applied Polymer Materials和Materials Research Express上。

　　首先，研究團(tuán)隊(duì)以聚合物規(guī)則微球?yàn)榛w，以低熔點(diǎn)合金（SnBi₅₈）作為功能填料，分別在熱塑型聚偏氟乙烯（PVDF）及熱固性環(huán)氧（EP）基體中構(gòu)建了連續(xù)的合金微觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。合金含量為50 vol%的PVDF/SnBi₅₈復(fù)合材料，其導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)6.38 W/mk，電磁屏蔽效能為68.79 dB。在環(huán)氧基體中，借助低熔點(diǎn)合金固-液相變行為，SnBi₅₈合金作為一種“粘結(jié)劑”，解決了熱固性環(huán)氧樹脂難以通過熱壓加工成型的問題。此外，合金顆粒將多個(gè)環(huán)氧微球包圍形成環(huán)形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有效提高了環(huán)氧基體的導(dǎo)熱系數(shù)及電磁屏蔽效能。

　　之后，充分利用低熔點(diǎn)合金填料在聚合物基體中能實(shí)現(xiàn)剛性粒子和可變形液滴兩種存在狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，以及SnBi₅₈合金和石墨烯之間的良好聲子功率譜的匹配，同時(shí)提高了PVDF/石墨烯（Gr）膜的水平與垂直方向的導(dǎo)熱系數(shù)。具有4.8 vol％石墨烯和10.0 vol％LMPA（低熔點(diǎn)合金）的PVDF@4.8Gr/10LMPA復(fù)合材料表現(xiàn)出面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)為9.41 W/mK，面外導(dǎo)熱系數(shù)為0.35 W/mK，與PVDF@4.8Gr復(fù)合材料相比，分別增加約245％和130％。

　　研究人員分別采用不同粒徑的聚合物微球、不同特性的低熔點(diǎn)合金及不同加工溫度，考察了隔離結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵影響因素及其與性能的關(guān)聯(lián)規(guī)律。結(jié)果表明，合適的模壓加工溫度和微球/合金顆粒的尺寸匹配性決定了微觀隔離網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成和導(dǎo)熱性能。SnBi₁₇Cu_0.5合金因其與聚合物基體尺寸的匹配性較高，從而達(dá)到了最低的界面熱阻和最優(yōu)的導(dǎo)熱性能；小尺寸聚合物微球有利于微觀導(dǎo)熱通道的致密化和界面熱阻的降低，也更有利于提高復(fù)合材料熱導(dǎo)率。

　　低熔點(diǎn)合金優(yōu)異的導(dǎo)電/導(dǎo)熱特性實(shí)現(xiàn)了聚合物基體導(dǎo)熱與電磁屏蔽功能的一體化制備，且其固液相變行為進(jìn)一步滿足了高效的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和易加工需求。該方法利用了低熔點(diǎn)合金的加工優(yōu)勢(shì)及功能特點(diǎn)而獲得了高性能復(fù)合材料，工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，易于規(guī)模化。

　　研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院STS重點(diǎn)項(xiàng)目等的支持。

　　論文鏈接：1、2、3、4 

　　圖1.（a-b）PVDF微球的制備與PVDF/SnBi₅₈復(fù)合材料的制備；（c）復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)；（d）復(fù)合材料的電磁屏蔽效能

　　圖2.（a）PVDF@Gr/ SnBi₅₈復(fù)合物的制備；（b）復(fù)合物的面內(nèi)方向?qū)嵯禂?shù)；（c）復(fù)合物的面外方向?qū)嵯禂?shù)

　　圖3.不同復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)與微觀結(jié)構(gòu)