SFPC課題組導熱高分子材料研究成果發表在J Mater Sci Technol上.
玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料（GFRP）具有輕質高強，優異的電絕緣、抗疲勞&耐腐蝕性能，加工成型簡便和生成效率高，以及材料可設計性，已廣泛應用于機械、化工、交通運輸等領域，日益成為國民經濟和國防建設中無可替代的重要材料。然而，玻璃纖維布（GFs）表面活性官能團少，和環氧樹脂基體間的界面相容性差，嚴重影響GFRP的力學性能，尤其是層間剪切強度（ILSS）。此外，GFRP具有較低的面間熱導率（λ┴），也阻礙其成為大型導熱/結構一體化制件發展的瓶頸問題。因此，研究開發高導熱、電絕緣且力學性能優異的GFRP，在改善構件導/散熱問題同時，一定程度延長使用壽命，對大功率電機定子、轉子和絕緣槽等相關領域材料的設計和拓展具有重要的理論指導和實際應用價值。西北工業大學化學與化工學院顧軍渭教授“結構/功能高分子復合材料（SFPC）”課題組采用聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA）和聚丙烯酸鈉（PAAS）分別對球形微米氮化硼（BNN-30）和氮化硼納米片（BNNS）進行表面功能化改性，通過“靜電自主裝”法制備異質結構BNN-30@BNNS導熱填料，并以正硅酸乙酯（TEOS）和γ-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（KH-560）為原料合成的硅溶膠（Si-sol）對玻璃纖維布（GFs）進行表面功能化改性（Si-GFs），采用“涂覆-鋪層-模壓”工藝制備BNN-30@BNNS/Si-GFs/環氧樹脂（E-44）層壓導熱復合材料。研究結果表明BNN-30和BNNS表面功能化改性成功，并成功制備出結構穩定的異質結構BNN-30@BNNS-Ⅲ導熱填料（fBNN-30與fBNNS質量比為1：2）。當BNN-30@BNNS-III用量為15 wt%時，BNN-30@BNNS-III/E-44導熱復合材料的λ達到0.61 W m-1K-1，為純E-44的λ（0.22 W m-1K-1）提高2.8倍，且優于相同用量（15 wt%）的BNN-30/E-44（0.56 W m-1K-1）、BNNS/E-44（0.42 W m-1K-1）和（BNN-30/BNNS）/E-44（BNN-30/BNNS簡單共混，1/2，wt/wt，0.49 W m-1K-1）導熱復合材料。BNN-30@BNNS-III/Si-GFs/E-44層壓導熱復合材料具有最優的綜合性能。其λ//和λ┴分別為2.75 W m-1K-1和1.32 W m-1K-1，較Si-GFs/E-44層壓復合材料的λ//（0.96 W m-1K-1）和λ┴（0.46 W m-1K-1）分別提升186%和187%，也約為純E-44 λ（λ//=λ┴，0.22 W m-1K-1）的12.5倍和6.0倍。采用COMSOL Multiphysics軟件建立的仿真模型能較好地模擬BNN-30@BNNS-III/Si-GFs/E-44層壓導熱復合材料的熱傳導過程。局部點加熱情況下，BNN-30@BNNS-III的引入有利于加快熱流傳遞。BNN-30@BNNS-III/Si-GFs/E-44層壓導熱復合材料還具有良好的電絕緣性能（垂直層向耐壓值、擊穿強度、表面電阻率和體積電阻率分別為51.3 kV、23.8 kV mm-1、3.7×1014 Ω和3.4×1014 Ω·cm）、介電性能（介電常數ε和介電損耗角正切值tanδ分別為4.92和0.008），理想的力學性能（彎曲強度和ILSS分別為401.0 MPa和22.3 MPa）以及優異的熱穩定性能（耐熱指數THRI為199.2℃）。
圖1 BNN-30@BNNS/Si-GFs/E-44層壓導熱絕緣復合材料的制備流程示意圖
圖2 環氧樹脂導熱復合材料的λ（a）和15 wt%導熱填料用量的環氧樹脂導熱復合材料紅外熱成像圖（b）、BNN-30/E-44（c）和BNN-30@BNNS-Ⅲ/E-44導熱復合材料（d）的斷面SEM圖及導熱機理示意圖（c’、d’）
圖3 BNN-30@BNNS-Ⅲ/Si-GFs/E-44層壓導熱絕緣復合材料面內熱導率λ//（a）和面間熱導率λ┴（a’）；加熱時間和溫度影響曲線（b、c）和紅外熱成像圖片（b’、c’）
圖4 COMSOL軟件仿真的點熱源情況下層壓復合材料面內（a）和面間（b）傳熱過程熱成像圖、面內（c）和面間（d）溫度變化黑色標記點溫度隨時間的變化曲線
該研究成果以“Improvement of thermal conductivities and simulation model for glass fabrics reinforced epoxy laminated composites via introducing hetero-structured BNN-30@BNNS fillers”為題近日發表于Journal of Materials Science & Technology上。第一作者為西北工業大學化學與化工學院史學濤副教授和2018級碩士研究生張睿涵，通訊作者是西北工業大學化學與化工學院顧軍渭教授。本研究工作得到了國家自然科學基金（51773169和51973173）、廣東省基礎與應用基礎研究基金項目-重點項目（2019B1515120093）、陜西省自然科學基礎計劃杰出青年基金項目（2019JC-11）、高分子電磁功能材料陜西省“三秦學者”創新團隊以及西北工業大學分析測試中心的資助和支持。
論文信息：
Xuetao Shi#, Ruihan Zhang#, Kunpeng Ruan, Tengbo Ma, Yongqiang Guo and Junwei Gu*. Improvement of thermal conductivities and simulation model for glass fabrics reinforced epoxy laminated composites via introducing hetero-structured BNN-30@BNNS fillers. Journal of Materials Science & Technology, 2021, 10.1016/j.jmst.2021.01.018. 2019IF=6.155.（1區材料科學Top期刊，中國科技期刊卓越行動計劃入選項目-重點期刊類項目）
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.01.018
作者簡介：
史學濤，博士，副教授，碩導。研究領域為生物可降解聚酯的結構設計、性能提升和納米復合功能化（導熱、電磁屏蔽等）。現就職于西北工業大學化學與化工學院，任西北工業大學倫敦瑪麗女王大學工程學院高分子材料與工程系主任、化學與化工學院化學與化工實驗中心副主任。主持完成國家自然科學基金、陜西省自然科學基金、航天科學技術基金等多項國家級/省部級課題。近年來以第一作者或通訊作者在Biomacromolecules, Compos Part A-Appl S, Chem Eng J等期刊發表SCI論文30余篇（3篇論文入選ESI高被引論文）。
張睿涵，中共黨員，陜西西安人，2018級碩士研究生（推薦免試）。2018年在廣西大學獲學士學位，同年加入顧軍渭教授SFPC課題組攻讀碩士學位。主要從事玻璃纖維的表面功能化改性及其玻璃纖維/環氧樹脂導熱復合材料的制備和內稟機制研究。獲第五屆“光威杯”中國復合材料學會大學生科技創新競賽全國特等獎（全國唯一）；2019~2020學年“柯盛新材”（碩新）專項獎學金。參與國家自然科學基金1項、陜西省自然科學基礎計劃杰出青年基金項目1項。以第一作者在J Mater Sci Technol和Chinese J Polym Sci上發表學術論文2篇；參與國內會議2次；公開國家發明專利1件。
顧軍渭，教授/博導、陜西省杰出青年科學基金獲得者、高分子電磁功能材料陜西省“三秦學者”創新團隊核心人員（排名第2）。現任化學與化工學院副院長、陜西省高分子科學與技術重點實驗室副主任、無人系統技術研究院智能材料與結構研究所所長；兼任中國復合材料學會導熱復合材料專業委員會常務副主任、中國化學會高級會員、英國皇家化學會會員等。主要從事功能高分子復合材料（導熱、電磁屏蔽、吸聲等）和纖維增強樹脂基復合材料（透波、耐燒蝕等）的結構/功能一體化設計制備及加工研究工作。獲高等學校科學研究優秀成果獎（技術發明）二等獎（排名第2）。主持國家自然科學基金（3項），GFJSJC科研項目、基礎JQ計劃技術領域基金項目、JP配套項目、LJ專項國家級項目4項；陜西省杰出青年科學基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金重點項目和裝備科研計劃項目等省部級項目13項。以第一作者或通訊作者在ACS Nano，Sci Bull和Compos Sci Technol等期刊發表SCI論文100余篇（ESI熱點論文29篇、ESI高被引論文43篇），SCI引用7700余次（H-index為55）。3篇論文入選2018、2019年“中國百篇最具影響國際學術論文”；21篇論文單篇引用次數超過100次。授權、公開國家發明專利40余件。做國際學術會議大會報告/邀請報告10余次；擔任第十二屆亞澳復合材料會議（ACCM-12）、第十一屆亞澳復合材料會議（ACCM-11）、2019第四屆中國國際復合材料科技大會（CCCM-4）、2019年全國高分子學術論文報告會等10余個國際/國內會議共同主席和分會主席等；擔任Advan Compos Hybrid Mater、Mater New Horiz副主編，Eng Sci執行主編，Composites Part B, Compos Commun, Sci Progress和Chinese J Aeronaut等期刊編委。主持陜西省高等教育學會“疫情防控專項研究課題（重點項目）”、西北工業大學創新創業課程等6項教學研究課題，參編Wiley出版社專著1部、高等學校規劃教材1部，發表教學教改論文5篇。