西工大史学涛副教授/顾军渭教授《J Mater Sci Technol》：导热高分子复合材料研究成果

玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料（GFRP）具有轻质高强，优异的电绝缘、抗疲劳&耐腐蚀性能，加工成型简便和生成效率高，以及材料可设计性，已广泛应用于机械、化工、交通运输等领域，日益成为国民经济和国防建设中无可替代的重要材料。然而，玻璃纤维布（GFs）表面活性官能团少，和环氧树脂基体间的界面相容性差，严重影响GFRP的力学性能，尤其是层间剪切强度（ILSS）。此外，GFRP具有较低的面间热导率（λ_┴），也阻碍其成为大型导热/结构一体化制件发展的瓶颈问题。因此，研究开发高导热、电绝缘且力学性能优异的GFRP，在改善构件导/散热问题同时，一定程度延长使用寿命，对大功率电机定子、转子和绝缘槽等相关领域材料的设计和拓展具有重要的理论指导和实际应用价值。

西北工业大学化学与化工学院顾军渭教授“结构/功能高分子复合材料（SFPC）”课题组采用聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA）和聚丙烯酸钠（PAAS）分别对球形微米氮化硼（BNN-30）和氮化硼纳米片（BNNS）进行表面功能化改性，通过“静电自主装”法制备异质结构BNN-30@BNNS导热填料，并以正硅酸乙酯（TEOS）和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（KH-560）为原料合成的硅溶胶（Si-sol）对玻璃纤维布（GFs）进行表面功能化改性（Si-GFs），采用“涂覆-铺层-模压”工艺制备BNN-30@BNNS/Si-GFs/环氧树脂（E-44）层压导热复合材料。研究结果表明BNN-30和BNNS表面功能化改性成功，并成功制备出结构稳定的异质结构BNN-30@BNNS-Ⅲ导热填料（fBNN-30与fBNNS质量比为1：2）。当BNN-30@BNNS-III用量为15 wt%时，BNN-30@BNNS-III/E-44导热复合材料的λ达到0.61 W m^-1K^-1，为纯E-44的λ（0.22 W m^-1K^-1）提高2.8倍，且优于相同用量（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简单共混，1/2，wt/wt，0.49 W m^-1K^-1）导热复合材料。BNN-30@BNNS-III/Si-GFs/E-44层压导热复合材料具有最优的综合性能。其λ_//和λ_┴分别为2.75 W m^-1K^-1和1.32 W m^-1K^-1，较Si-GFs/E-44层压复合材料的λ_//（0.96 W m^-1K^-1）和λ_┴（0.46 W m^-1K^-1）分别提升186%和187%，也约为纯E-44 λ（λ_//=λ_┴，0.22 W m^-1K^-1）的12.5倍和6.0倍。采用COMSOL Multiphysics软件建立的仿真模型能较好地模拟BNN-30@BNNS-III/Si-GFs/E-44层压导热复合材料的热传导过程。局部点加热情况下，BNN-30@BNNS-III的引入有利于加快热流传递。BNN-30@BNNS-III/Si-GFs/E-44层压导热复合材料还具有良好的电绝缘性能（垂直层向耐压值、击穿强度、表面电阻率和体积电阻率分别为51.3 kV、23.8 kV mm^-1、3.7×10¹⁴ Ω和3.4×10¹⁴ Ω·cm）、介电性能（介电常数ε和介电损耗角正切值tanδ分别为4.92和0.008），理想的力学性能（弯曲强度和ILSS分别为401.0 MPa和22.3 MPa）以及优异的热稳定性能（耐热指数T_HRI为199.2℃）。

图1 BNN-30@BNNS/Si-GFs/E-44层压导热绝缘复合材料的制备流程示意图

图2 环氧树脂导热复合材料的λ（a）和15 wt%导热填料用量的环氧树脂导热复合材料红外热成像图（b）、BNN-30/E-44（c）和BNN-30@BNNS-Ⅲ/E-44导热复合材料（d）的断面SEM图及导热机理示意图（c’、d’）

图3 BNN-30@BNNS-Ⅲ/Si-GFs/E-44层压导热绝缘复合材料面内热导率λ_//（a）和面间热导率λ_┴（a’）；加热时间和温度影响曲线（b、c）和红外热成像图片（b’、c’）

图4 COMSOL软件仿真的点热源情况下层压复合材料面内（a）和面间（b）传热过程热成像图、面内（c）和面间（d）温度变化黑色标记点温度随时间的变化曲线

该研究成果以“Improvement of thermal conductivities and simulation model for glass fabrics reinforced epoxy laminated composites via introducing hetero-structured BNN-30@BNNS fillers”为题近日发表于Journal of Materials Science & Technology上。第一作者为西北工业大学化学与化工学院史学涛副教授和2018级硕士研究生张睿涵，通讯作者是西北工业大学化学与化工学院顾军渭教授。本研究工作得到了国家自然科学基金（51773169和51973173）、广东省基础与应用基础研究基金项目-重点项目（2019B1515120093）、陕西省自然科学基础计划杰出青年基金项目（2019JC-11）、高分子电磁功能材料陕西省“三秦学者”创新团队以及西北工业大学分析测试中心的资助和支持。

论文信息：

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区材料科学Top期刊，中国科技期刊卓越行动计划入选项目-重点期刊类项目）

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.01.018

作者简介：

史学涛，博士，副教授，硕导。研究领域为生物可降解聚酯的结构设计、性能提升和纳米复合功能化（导热、电磁屏蔽等）。现就职于西北工业大学化学与化工学院，任西北工业大学伦敦玛丽女王大学工程学院高分子材料与工程系主任、化学与化工学院化学与化工实验中心副主任。主持完成国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、航天科学技术基金等多项国家级/省部级课题。近年来以第一作者或通讯作者在Biomacromolecules, Compos Part A-Appl S, Chem Eng J等期刊发表SCI论文30余篇（3篇论文入选ESI高被引论文）。

张睿涵，中共党员，陕西西安人，2018级硕士研究生（推荐免试）。2018年在广西大学获学士学位，同年加入顾军渭教授SFPC课题组攻读硕士学位。主要从事玻璃纤维的表面功能化改性及其玻璃纤维/环氧树脂导热复合材料的制备和内禀机制研究。获第五届“光威杯”中国复合材料学会大学生科技创新竞赛全国特等奖（全国唯一）；2019~2020学年“柯盛新材”（硕新）专项奖学金。参与国家自然科学基金1项、陕西省自然科学基础计划杰出青年基金项目1项。以第一作者在J Mater Sci Technol和Chinese J Polym Sci上发表学术论文2篇；参与国内会议2次；公开国家发明专利1件。

顾军渭，教授/博导、陕西省杰出青年科学基金获得者、高分子电磁功能材料陕西省“三秦学者”创新团队核心人员（排名第2）。现任化学与化工学院副院长、陕西省高分子科学与技术重点实验室副主任、无人系统技术研究院智能材料与结构研究所所长；兼任中国复合材料学会导热复合材料专业委员会常务副主任、中国化学会高级会员、英国皇家化学会会员等。主要从事功能高分子复合材料（导热、电磁屏蔽、吸声等）和纤维增强树脂基复合材料（透波、耐烧蚀等）的结构/功能一体化设计制备及加工研究工作。获高等学校科学研究优秀成果奖（技术发明）二等奖（排名第2）。主持国家自然科学基金（3项），GFJSJC科研项目、基础JQ计划技术领域基金项目、JP配套项目、LJ专项国家级项目4项；陕西省杰出青年科学基金、广东省基础与应用基础研究基金重点项目和装备科研计划项目等省部级项目13项。以第一作者或通讯作者在ACS Nano，Sci Bull和Compos Sci Technol等期刊发表SCI论文100余篇（ESI热点论文29篇、ESI高被引论文43篇），SCI引用7700余次（H-index为55）。3篇论文入选2018、2019年“中国百篇最具影响国际学术论文”；21篇论文单篇引用次数超过100次。授权、公开国家发明专利40余件。做国际学术会议大会报告/邀请报告10余次；担任第十二届亚澳复合材料会议（ACCM-12）、第十一届亚澳复合材料会议（ACCM-11）、2019第四届中国国际复合材料科技大会（CCCM-4）、2019年全国高分子学术论文报告会等10余个国际/国内会议共同主席和分会主席等；担任Advan Compos Hybrid Mater、Mater New Horiz副主编，Eng Sci执行主编，Composites Part B, Compos Commun, Sci Progress和Chinese J Aeronaut等期刊编委。主持陕西省高等教育学会“疫情防控专项研究课题（重点项目）”、西北工业大学创新创业课程等6项教学研究课题，参编Wiley出版社专著1部、高等学校规划教材1部，发表教学教改论文5篇。