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苏州纳米所等在阻燃芳纶纳米纤维气凝胶-低共熔相变溶剂主客体复合薄膜及其低温电子器件热管理应用研究中获进展

作者(zhe):2021/07/27 09:54浏览次数:10

        随着电子产品小型化、集成化和高功率化,如何(he)控制电子产品所产生的(de)热(re)量已成为备(bei)受科(ke)研(yan)人员关注的(de)重要科学问题之一。相变材(cai)料具有相变潜热(re)高稳定性能好等优点(dian),在(zai)热能储存和管理(li)领具(ju)有巨大应用潜(qian)力。然(ran)而,如何制备出能(neng)在低温环(huan)境下工作的阻燃(ran)相变薄膜仍面临挑(tiao)战。为此,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张学同研究员团队与海南大学廖建和教授团队合作,通过溶解芳纶获得芳纶纳米纤维ANF,再经刮涂、溶胶-凝胶、多巴胺原(yuan)位(wei)聚合等过程得(de)到阻燃性(xing)能(neng)优异的(de)聚多巴胺/芳(fang)纶纳米纤维PANF气凝胶薄膜;以此气凝胶薄膜为多孔(kong)主体负载低共(gong)熔DES相(xiang)变客体制备出具(ju)有阻燃和低温热管理功能的PANF-DES-客体(ti)相变薄膜(mo),制备流程如(ru)图1所示。 

 图1 PANF-DES主客体复合薄膜的制备及阻燃和热管理功能示意图  

        PANF薄膜可以通过改(gai)变工艺(yi)参数(shu)实(shi)现厚度、密度、形状的调控以及(ji)大尺寸(cun)连续制备(bei),并(bing)且具(ju)备可弯曲折(zhe)叠等特征(zheng),具有良好的力学(xue)柔(rou)性多巴胺的(de)原位聚合不仅没有改变(bian)芳纶(lun)气凝胶(jiao)薄膜的(de)高比(bi)表面(mian)积,还可以使其在酒精灯火焰上极大程度缩短(duan)自(zi)熄时(shi)间并(bing)且基本保持基体(ti)(ti)完整性,为(wei)后续(xu)主客体(ti)(ti)复合薄膜的(de)结(jie)构支撑奠定物质(zhi)基础。 

  图2 PANF气凝胶薄膜:a-b光学照片,c不同浓度多巴胺溶液对芳纶气凝胶薄膜增重率的影响,dANF、(e)聚多巴胺、(f)PANF的微观形貌。 

        将三元低共熔相变材料填充(chong)到PANF气凝胶薄膜中,得(de)到(dao)的PANF-DES主客体(ti)薄膜(mo)相变(bian)温度为-21℃、相变焓高(gao)达225J/g,且具有优异的阻(zu)燃性,其(qi)热释(shi)放量(liang)和气体释(shi)放量(liang)均比商业阻(zu)燃相(xiang)变薄膜低一个(ge)数量(liang)级,以垂(chui)直、弯(wan)曲(qu)、平行状态接(jie)触酒精灯火(huo)焰均无明(ming)火(huo),只有部分(fen)碳化,以放热少(shao)火焰传播能力小的优(you)良阻燃(ran)性能保证(zheng)了实际应(ying)用的(de)安全性(xing)。 

  图3 PANF-DES主客(ke)体(ti)(ti)复合薄(bo)膜的相变(bian)行(xing)为和阻燃性能 

        研(yan)究者搭建(jian)了(le)简易装(zhuang)置(zhi),探索了(le)PANF-DES主客体薄膜在低温电子器件上的热管理(li)性能:1PANF-DES主客体(ti)薄膜可以通过熔化或结(jie)晶(jing)过程(cheng)中吸收或释放大量(liang)热能,减升温降温速率2在循环升(sheng)降(jiang)温过程中,PANF-DES主客(ke)体(ti)薄膜可(ke)削减(jian)温(wen)度波动(dong),维持电子(zi)器(qi)件温度相对稳(wen)定。因此(ci),此(ci)PANF-DES主客(ke)体(ti)(ti)薄(bo)膜可应用于低温(wen)环境下电子元器件的温(wen)度(du)管(guan)理。 

  图4 PANF-DES主客体复合薄膜的热管理性能 

        相(xiang)关(guan)成果以“Flame-Retardant Host–Guest Films for Efficient Thermal Management of Cryogenic Devices”为题发表在国际(ji)期刊Advanced Functional Materials上(shang)。硕(shuo)士研究生杨依山副研究员吕婧为论文共同(tong)(tong)(tong)第(di)一(yi)作者,中科院苏州纳米(mi)所张学同(tong)(tong)(tong)研究员与海南大学廖建和教授(shou)为论文共同(tong)(tong)(tong)通(tong)讯作者。该论文工(gong)作获得了国(guo)家重(zhong)点研发计划、英国(guo)皇家学会-牛顿高级学者基(ji)金的资助。 


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