可磁响应导热粒子/有机相变复合材料的设计、制备及其热导率可逆突变性能研究

With the development of aerospace and energy, there is an urgent need for functional materials with high reversible thermal conductivity jump rate. Thermal conductive particle filled organic phase change material possesses the merits of mild condition for thermal conductivity jump and easy processing, but the thermal conductivity jump rate is very low. When anisotropic thermal conductive particle (ATCP) is used, thermal conductivity of the composite would be significantly higher along the orientation and assembly direction of ATCP than that in vertical direction. This project intended to prepare a composite of magnetic responsive thermal conductive particle (M-ATCP) and organic phase change material that can achieve controllable high reversible thermal conductivity jump rate. To enhance/reduce the thermal conductance at solid/liquid state, the M-ATCP is designed to orient and assemble parallel/vertical to the heat flow direction with assistance by magnetic field, thereby improving the thermal conductivity jump rate sharply. This project is intended to investigate the reversible dispersion condition of M-ATCP in phase change process, and to study the influencing factors of phase change process on the orientation and assembly behavior of M-ATCP. This study will further explore the synergistic effect of thermal and magnetic fields and the key factor of the thermal conductivity jump rate multiplying, and get thermo-functional materials with substantial increase of thermal conductivity jump rate. A new method of designing and preparing materials with high thermal conductivity jump rate will be provided.

随着航天、能源等领域的发展，迫切需求具有热导可逆突变率高的功能材料。导热粒子/有机相变复合材料具有热导率突变条件温和、易加工等优点，然而其热导突变率低。依据热导率各向异性导热粒子，其热导率在平行于取向、组装方向显著高于垂直方向的原理，本项目拟制备磁响应导热粒子/有机相变复合材料，设计磁诱导磁响应导热粒子平行于热流方向取向、组装，使材料处于固态增强导热；磁控制磁响应导热粒子垂直于热流方向取向、组装，材料处于液态时阻隔导热，达到有效提高材料固/液态热导突变倍率的目的。摸索磁响应导热粒子在相的交变过程中可逆分散条件，研究相的交变过程中磁响应导热粒子取向、组装行为的变化规律，探索热场与磁场协同作用，能倍增复合材料热导突变率的关键要素，获得热导突变率有实质性提升的热功能材料。为热导率突变显著的复合材料的设计和制备提供新的途径。

具有热导可逆突变功能的材料在航空航天、新能源等领域的热管理中具有重要作用。有机相变材料的热导可在温和条件下突变，然而其热导突变率低，难满足上述领域高速发展对高热导突变率材料的迫切需求。本项目依据热导各向异性二维导热填料，其热导在平行于取向、组装方向显著高于垂直方向的原理，制备磁响应导热填料/有机相变复合材料，设计磁诱导磁响应导热填料平行于热流方向取向、组装，使材料处于固态增强导热；磁控制磁响应导热填料垂直于热流方向取向、组装，材料处于液态时阻隔导热，达到有效提高材料固/液态热导突变倍率的目的。首先，基于pi-pi相互作用的液相辅助法制备了具有高径厚比且分散稳定的纳米氮化硼和石墨烯纳米片，为热导可逆复合材料提供关键原料。第二，各向异性导热复合材料的设计、制备及性能调控。a）高面内导热石墨烯/聚乙烯醇复合膜：通过π-π相互作用调控和应力诱导协同作用，实现大片层平整石墨烯在高分子膜面内方向高度取向排列，添加量10 wt%时的面内导热能力提升近4600%，实现了低含量石墨烯复合材料热导率的新突破；b）高法向导热的磁化氮化硼纳米片/环氧复合材料：利用磁控诱导法制备了法向取向的纳米氮化硼/环氧复合材料，通过平衡静磁力、重力和粘附力之间的关系，实现了磁化大片层氮化硼纳米片的定域分布与法向取向，添加量30 wt%时复合材料的法向热导率达到10 W/(m·K)以上。第三，在上述取向研究基础之上，以氮化硼为例，通过调控磁场强度分布及相变材料结晶行为，实现氮化硼在聚乙二醇固/液相交过程中的可控取向与分布，获得热导突变率超过6的复合材料。第四，揭示了无机材料表面修饰分子链长度及密度对无机/有机材料界面导热的影响规律，为进一步提升复合材料热导可逆突变率提供理论支撑。本项目为基于各向异性导热填料的热导可逆突变复合材料的设计与制备提供理论与实验基础。