成果简介
复合材料的介电性能和导热性能往往相互矛盾。为了提高热导率，需要增加填料的含量，这往往会导致材料的介电常数过高。本文，受社区建筑布局的启发，重庆大学Wenxia Sima等研究人员在《Composites Communications》期刊发表名为“Achieving Enhanced Thermal Conductivity and Low Dielectric Constants Using Double-Oriented Fluorinated Graphene Skeleton in Silicone Gel Composites”的论文，研究制备了硅凝胶/双向氟化石墨烯骨架复合材料，解决了将氟化石墨烯原位组装成三维连续网络结构的难题。这大大提高了硅凝胶的导热性并降低了介电常数，同时保持了较低的填料含量和绝缘性能。
此外，基于真实三维体的重建，利用有限元模拟分析了骨架改善材料性能的机理。硅凝胶/双向氟化石墨烯骨架复合材料的垂直和水平导热系数分别达到了 3.34 W/(m-K) 和 2.65 W/(m-K)，介电常数降至纯硅凝胶的 80%。这为协同改善绝缘材料的介电性能和导热性能提供了一条新途径，在下一代电子设备中作为热界面材料具有巨大的应用潜力。
图文导读
图1.制备双取向骨架并制备硅凝胶/双取向氟化石墨烯骨架复合材料。
图2.（a） 复合材料的示意图。（b） 浸渍前双取向 FGNS 骨架的 SEM 图像。（c） 硅凝胶/双取向氟化石墨烯骨架复合材料浸渍后的 SEM 图像。（d） 在单个温度梯度下生长的 FGNS 骨架 x-y 平面上的 SEM 图像。（e） 在梯形体诱导的双温度梯度下生长的 FGNS 骨架 x-y 平面上的 SEM 图像。（f） 在三棱柱诱导的双温度梯度下生长的 x-y 平面上的 SEM 图像。
图3.FGNS/Silgel 复合材料的电学特性。
图4.FGNS/Silgel 复合材料的热性能。
图5.（a） XCT 提取的双取向 FGNS 骨架的三维结构。（b） 沿骨架的热流示意图。（c） 垂直框架方向的热流图。（d） FGNS/Silgel 复合材料的热场分布。（e） 硅凝胶/随机分布的 FGNS 复合材料的热场分布。（f） 纯硅凝胶的热场分布。
小结
总之，本研究提出了一种制备具有高导热性和低介电常数的硅凝胶/双取向 FGNS骨架复合材料的方法。通过XCT成像获得了FGNS填料与硅凝胶基体之间的空间结构关系，并利用有限元模拟分析了导热填料改善材料性能的机理。首先，采用改进的冰模板法和真空辅助浸渍法制备了硅凝胶/双向 FGNS 骨架复合材料。然后，进一步研究了复合材料的热性能和电性能，并对计算机断层扫描获得的真实骨架结构进行了有限元模拟分析。结果表明，复合材料的导热性能和介电性质得到了极大改善，同时保持了硅凝胶优异的电绝缘性能。填充量为 15 wt. % 时，复合材料的击穿电压、体积电阻率和热导率分别为 16.11 kV、8.49×108 Ω-cm 和 3.34 W/(m-K)；介电常数降至纯硅凝胶的 80%，完全满足新一代电力电子设备的工作条件。此外，有限元模拟结果表明，复合材料内部的热流沿骨架方向有效传导，传热速度快于无规分布填料和纯硅凝胶复合材料，从微观角度揭示了基体材料中导热填料的作用机理。我们的研究提出了大功率电子设备热界面材料的新概念。
文献：https://doi.org/10.1016/j.coco.2024.102162
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