纳米材料

纳米材料的热导率测量

C-Therm 公司开发的改进型瞬态平面热源（MTPS）方法，为研究人员表征纳米材料的热导率提供了最佳选择。这类材料在研发阶段生产成本高昂且耗时。MTPS 法仅需 1.5 ml的小体积样本，便于快速测量，考虑到大量纳米颗粒的成本，这一优势尤为突出。该方法操作简便，研究人员无需进行回归分析，就能快速轻松地表征样本。此外，单面传感器是唯一能够对样本性能进行热成像的方法，有助于更好地了解纳米材料在聚合物基体中的分散情况。

图1. Trident热导率仪，配备 MTPS 传感器，非常适合测量纳米材料以及对复合材料进行热成像

图2. 一种填充了导电金属纳米颗粒以提高热导率的环氧树脂，这一填充过程是不均匀的

图3. 填充纳米粒子的环氧树脂的热图，体现高导热率与高浓度的纳米粒子相关，该热图展示了填料的不均匀性。这只有通过 MTPS 才能实现

图4. 颗粒沉降检测实例：复合材料上层的颗粒浓度明显低于下层，而这种现象可通过单侧 MTPS 热导率测量仪进行检测

图5. 常见纳米材料和金属的热导率。纳米材料常被用作填充材料，以改善复合材料的热传递

图6. 单壁（左）和多壁（右）碳纳米管（CNT），它们常被用作填充材料以提高热导率

纳米材料如何影响热导率

纳米材料具有独特的电学性能、优异的强度以及高效的热传导能力。其应用领域涵盖电子、光学、医药和建筑等多个方面，为突破性发现提供了巨大潜力。而有效热导率通常被视为该类材料一项关键的性能指标。

案例亮点一

碳纳米管复合材料的分散性与热导率

以下是一篇论文中的案例亮点，可以在这里阅读。

佛罗里达州立大学和德克萨斯理工大学最近开展的工作利用 MTPS 的功能来帮助研究用于缩短碳纳米管 （CNT） 的不同方法，以在保持导热性的情况下改善分散性。单壁碳纳米管被机械切割以生产短端和开放式富勒烯管。然后对单独的样品组进行酸氧化以缩短碳纳米管。

研究发现，缩短的纳米管可以改善聚合物基质的分散性，从而获得更高的导热性。

机械短切碳纳米管的性能明显优于酸氧化样品，这导致碳纳米管降解，树脂复合材料的整体导热系数较低。

图7. 碳纳米管增强复合材料热导率对比

案例亮点二

具有连续三维导电网络的混合纳米纤维素/碳纳米管/天然橡胶纳米复合材料

原文摘录：本研究研究了纳米纤维素/碳纳米管（NCC/CNT）增强对天然橡胶（NR）纳米复合材料的杂化效应。为此，制备了NCC/NR、CNT/NR和NCC/CNT/NR三个系列的NR纳米复合材料。首先，分别利用扫描电镜（SEM）研究了纳米复合材料的形貌和填料-橡胶相互作用，并研究了甲苯中的溶胀行为。结果表明，NCC的存在改善了NCC/CNT杂化填料分散体形成三维网络，而CNT的存在增加了填料-基体相互作用。固化结果还证实，使用混合填料时交联程度增加，但固化时间没有改变。此外，还观察到，与单独使用的每种材料相比，使用 NCC/CNT 混合系统具有更优异的机械性能、动态机械性能和导热性。当向天然橡胶（NR）中添加 10 phr（每百克橡胶的份数）混合填料（填料比例为 1）时，拉伸强度、300% 定伸模量（M300）、10% 应变下的储能模量，热导率分别提高了 57%、137%、120% 和 30% 。结果还表明，NR纳米复合材料的性能可以通过调整NCC/CNT填料比来控制。[1]

使用C-Therm TCi热导率分析仪测定纳米复合材料的热导率、热扩散率和热容。样品预处理在直径为 25.4 mm、厚度为 12.5 mm的圆柱体中。对每种化合物进行至少五次热导率测量，以报告平均值。[1]

图8. 天然橡胶纳米复合材料的热导率 [1]

Kazemi, H., Mighri, F., Park, K. W., Frikha, S., Rodrigue, D., Hybrid nanocellulose/carbon nanotube/natural rubber nanocomposites with a continuous three-dimensional conductive network, Polym. Compos. 2022, 1. https://doi.org/10.1002/pc.26546 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/pc.26546

案例亮点三

利用纳米颗粒改善电子设备的热管理

随着电子设备的迅速发展，有效的热管理问题日益突出。在小型电子产品中，所选材料必须具有高导热性以散热，同时还需能够有效地连接所使用的芯片。一种常见的解决方案是使用环氧复合材料。

环氧树脂是一种聚合物树脂，其通常导热性极低。因此，常使用导电纳米填料来提高导热性，使环氧复合材料成为一种有效的热界面材料（TIM）。一种常用的纳米材料称为六方氮化硼（h - BN），即 “白色石墨烯”，因其高导热性和高电绝缘性而被使用。然而，研究人员已将六方氮化硼剥离形成氮化硼纳米片（BNNS），其不仅具有高电阻，还具有更高的热稳定性和化学稳定性。

制备了两种环氧复合材料，一种使用 51% 的六方氮化硼（h - BN），另一种使用 51% 的氮化硼纳米片（BNNS），其导电率结果如下所示。

图9. 基于这些结果，氮化硼纳米片（BNNS）作为热界面材料（TIM）表现出更好的性能，因为更高的热导率能更有效地散热

这呈现了《用于电子封装、具有超高面内热导率的氮化硼纳米片基环氧纳米复合材料的规模化生产》一文中的数据，点击这里阅读全文。