聚合物基导热复合材料是重要的热功能材料之一,广泛应用在LED、电池及电子封装等前沿领域。传统的熔融共混法是制备导热复合材料的重要方法,增加导热填料的含量是提高复合材料导热性能主要技术途径,由于没有明显的导热渗流现象,使得导热性能的提升总是以较大幅度地牺牲复合材料力学和加工性能为代价。导热性能无法大幅度提高的原因:一是导热网络密实度不足,造成了热量传递过程中的大热组;二是传导网络上及其周围的聚合物材料强“吸热”能力吸收并耗散了大部分本应沿导热网络传递的热量。本课题旨在从热量在复合材料中传递的基本规律出发,通过减小热量传递的热阻和热量耗散的方式以获得导热性能更优异的复合材料。课题首次提出了导热复合材料中“沙渠”和“石渠”的概念,和沙渠-石渠网络转化机制(Mechanism of Transforming between Sand-like network and Stone-like network(MTSS))。针对传导网络:采用了一种旨在较低填料含量时可以有效减小导热填料平均间距的方法—空间限域强制组装法(Spatial Confining Forced Network Assembly(SCFNA)method)。该方法实质是通过机械手段,在限域空间中对自组装网络强制压缩直至特征厚度以下时,导热网络失去摆动的自由度,施加的“强制组装力”将破坏自组装网络中填料团聚力与聚合物阻力的平衡,团聚力与外加“强制组装力”实现正向叠加,填料之间的聚合物被强制挤出,填料的平均间距可以大幅度减小。平均间距的减小减少了热量在导热网络传递过程中的热阻,同时也实现了导热网络的沙渠-石渠转化,为大幅度提高导热性能提供了可能。针对导热网络周围介质:通过添加一定含量的刚性粒子至传导网络周围,一方面通过刚性粒子散射等作用,实现导热网络上“泄漏”的热量部分返回至导热网络中;另一方面是利用刚性粒子取代部分导热网络周围的聚合物,减小相应的聚合物对热量的耗散,实现了整体传导网络的沙渠-石渠转化,为大幅度提高复合材料的导热能力提供了另一种可能。本课题基于SCFNA法密实化导热网络和添加刚性粒子方式实现MTSS展开了系统而深入的理论和实验研究,具体结论如下:1.深入研究了 SCFNA法分布-分散混合、自组装和强制组装过程的力学和动力学关系。以牌号为HY-E620,HY-E640和SYLGARD 184的硅胶分别为基体,以短切碳纤维为填料展开实验研究。研究表明为了得到均匀分布的导热网络,首先要通过机械混合方式获得均布混合体系,适度的剪切有利于导热填料的分散,但过度的剪切会造成纤维状填料长径比的下降,不利于制件热导率的提高。综合制件的成型质量和热导率,得到了最优的SCFNA法的过程工艺参数。以牌号为SYLGARD 184的硅胶为基体,以短切碳纤维和晶须碳纳米管为填料展开实验研究。研究表明短切碳纤维的分散效果及其制件的热导率好于晶须碳纳米管对应的结果。2.以二元体系制件为对象,建立SCFNA法强化导热的机理模型,论证了填料平均间距是影响热导率的关键因素。以牌号为SYLGARD 184的聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基体,选用多种维度的填料展开实验研究。研究表明在一定填料含量范围内,SCFNA法强化导热的效果明显优于传统熔融共混法强化导热的效果,且能保证制件一定的加工和力学性能。相较于传统熔融共混法,SCFNA法制备的制件在热导率和柔性上有明显优势。3.以三元体系制件为对象,建立SCFNA法强化的微/纳米填料协同作用的机理模型,论证了填料平均间距是影响微/纳米填料协同作用的关键因素。以PDMS为基体,选用多尺度的填料展开实验研究。研究表明只有当制件厚度小于临界厚度时,微/纳米填料在SCFNA法的作用下可以产生协同作用,促进热导率的提高。SCFNA法结合微/纳米填料的协同作用,无需进一步添加填料含量时可以保证制件一定的热导率,同时有利于制件力学性能的保持。4.基于SCFNA法强制压缩过程中圆柱状填料取向分布特点,以两个导热填料串联方式构建的导热通路为分析对象,将导热通路上的热阻分为F-M热阻,F-F热阻,填料/聚合物复合热阻等部分,建立包含聚合物基体材料特性,填料特性,压缩比和界面热阻等参数的导热行为数学模型。基于制件热导率的实验值,对预测模型进行验证,结果表明所建模型为一维碳纤维导热填料提供了可靠的预测结果。5.基于刚性粒子实现MTSS的机理,以铜网和3Y形强制组装网分别作为连续的导热网络,选用热导率低于/高于普通聚合物热导率的空心玻璃微珠/Al2O3展开实验研究。研究表明适当含量的刚性粒子的加入,即使是热导率低于普通聚合物热导率的刚性粒子的加入,有效分布在连续的导热网络周围可以实现沙渠-石渠的转变,减小聚合物的吸热耗散能力,提高制件的导热性能。