聚偏氟乙烯导热复合材料制备及其结构调控机制的研究

To date, the roles of crystalline structures in determining the thermal conductivity of polymer composites are still unclear, and there are no systematical researches to resolve such problems. In this project, poly(vinylidene fluoride) (PVDF) and its composites are selected as the research objects, and the main attention is focused on clarifying the effects of interfacial epitaxial crystallization and crystalline structures on the thermal conductive properties of the composites. Through investigating the variation trends of thermal conductive properties of the pure PVDF samples with the change of crystalline structures, it is expected to provide guidance for the crystalline structure controlling of the composites. The strong interfacial interaction between the conductive fillers and the PVDF matrix will be achieved by the surface modification of the fillers, and then the dispersion states and the formation mechanisms of the conductive network structure of the fillers in the composites will be investigated. The interfacial epitaxial crystallization of PVDF induced by fillers and its influencing factors will be studied through FTIR, Raman, WAXD, SEM and POM, etc., and then the coupling effects between conductive network structures and crystalline structures will be clarified. Through the quantitative analysis of thermal conductive properties of the composites, the build of conductive model, and the application of the molecular dynamics simulation, the collision and scattering behaviors of phonon in the samples with different crystalline structures will be systematically investigated. Clarification of the above scientific issues not only facilitates us to understand the roles of crystalline structures in influencing the thermal conductive properties of the polymer composites, which is also favorable for enriching and developing the basic scientific contents of polymer physics, but also provides theoretical basis and technical guidence for the preparation of the advanced PVDF composites with integrated structure-function effects. Therefore, this work exhibits important scientific significance and application value.

针对目前缺乏系统阐述晶体结构在复合材料热传导中的作用机制的不足，本项目以聚偏氟乙烯及其复合材料为研究对象，着重阐述界面附生结晶以及晶体结构对复合材料导热性能的调控机制。通过研究纯聚偏氟乙烯导热性能随晶体结构的变化规律，为复合材料的晶体结构调控提供依据；通过表面官能化构筑导热粒子与基体强相互作用，研究导热粒子的分散及其导热网络的调控机制；采用FTIR、Raman、WAXD、SEM、POM等研究导热粒子诱导聚偏氟乙烯界面附生结晶及影响因素，阐述填料网络与晶体结构的耦合效应；通过复合材料导热性能的定量分析和模型建立，结合分子动力学模拟，研究声子在不同晶体结构中的碰撞和散射行为。阐明上述科学问题，既有助于认识结晶在高分子复合材料热传导过程中的作用机制，丰富和发展高分子凝聚态物理的基本科学内容，又能为聚偏氟乙烯结构-功能一体化先进复合材料制备提供理论依据和技术指导，因而具有重要的科学意义和应用价值。

聚偏氟乙烯(Poly(vinylidene fluoride), PVDF)复合材料在微电子器件领域具有广阔的应用前景。从高分子凝聚态结构出发，在改善复合材料导热性的同时拓展其功能性，并改善机械性能，对拓展以PVDF为代表的通用高分子材料的应用领域具有重要的意义。. 本项目通过调控基体PVDF的结晶行为和结晶结构，研究晶体结构对复合材料导热性能的影响规律；通过引入一维碳纳米管、碳纳米纤维、二维氧化石墨烯、石墨烯、氮化硼、二硫化钼，以及离子液体等，系统研究了不同加工方法(溶液混合、熔融加工)、不同维数纳米粒子、以及引入小分子、弹性体等对纳米粒子分散及其网络结构形成的影响规律；在此基础上，将研究成果进一步拓展到尼龙、聚苯乙烯、聚乳酸等聚合物体系，发展出系列功能高分子复合材料。. 取得的重要成果包括：阐明了混合顺序或添加方式在填料网络构筑中的重要作用；明确了两种不同维数的填料在构筑三维杂化网络时，必须充分考虑填料的几何尺寸；阐明了加工过程中的剪切应力对填料网络形成的作用机制，提出弱剪切应力场调控填料网络的方法；证实了晶体结构在复合材料导热性能改善方面的作用机理；发展出利用结晶结构调控填料网络的方法，实现了复合材料导热性和耐热性同时改善的目的；在此基础上，通过界面相互作用设计，通过引入弹性体调控纳米粒子分布，提出弹性体“界面焊接”概念，在改善复合材料界面相互作用的基础上，制备出同时具有高导热和低温高抗冲韧性的复合材料；发展出基于界面相互作用诱导纳米粒子自组装制备高性能多功能PVDF复合材料的系列方法等等。. 通过本项目的研究，加深了对高分子凝聚态结构在高热传导过程中的作用机制的理解，丰富和发展了高分子凝聚态物理的基本科学内容，同时为结构/功能一体化先进复合材料制备提供理论依据和技术指导，因而具有重要的科学意义和应用价值。. 截止目前，发表SCI论文22篇，授权发明专利4项，培养硕博士研究生合计10人。