氮化铝/氮化硼/碳纳米管/硅橡胶复合材料的力致填料取向对导热性能的影响

随着科学技术的发展,电子元器件发热量大幅度增加,因此开发兼具高导热和高绝缘性能材料日益迫切。以甲基乙烯基硅橡胶（SR）为基体,碳纳米管（CNTs）、六方氮化硼（BN）以及氮化铝（AlN）为导热填料,通过机械共混法制备导热复合材料。研究3种导热填料复配对复合材料的导热性能、绝缘性能和力学性能的影响,研究填料取向对复合材料导热性能的影响,研究材料表面温升与加热时间的关系。采用Agari模型预测复合材料的理论热导率。通过热红成像、扫描电子显微镜、X射线衍射分析、热重分析等对复合材料进行表征。结果表明：随着复配导热填料中AlN用量的减少,BN和CNT_S用量的增加,复合材料的热导率逐渐升高;当AlN为80 phr,BN为68 phr,CNTs为2 phr时,复合材料的垂直热导率为1.857 W·m^-1·K^-1,平行热导率为2.853 W·m^-1·K^-1,体积电阻率为2.18×10¹² Ω·cm,拉伸强度达4.3 MPa,复合材料的综合性能较好。     

不同填料复配对尼龙6/石墨烯复合材料导热性能的影响

高分子材料的绝热特性极大地限制了其作为导热材料在工业中的应用。选用多层石墨烯作为导热填料,并分别与导热填料氧化铝(Al_2O_3)和碳化硅(SiC)复配,探究导热填料的复配对尼龙6(PA6)复合材料导热性能的影响。加入质量分数为3%石墨烯时,PA6复合材料的热导率为0.548W·m^-1·K^-1,相比PA6基体提高161%。通过调节石墨烯与Al_2O_3和SiC复配的比例以及复合填料量,PA6复合材料的热导率可控在0.653~4.307W·m^-1·K^-1之间,最高是PA6基体的20倍。为拓展石墨烯在导热材料方面的应用及PA6导热材料在工业上应用提供了有价值的实验依据。     

SnO的歧化反应对SnTe热电性能的优化

PbTe基化合物是一种热电性能优良的中温区热电材料, 但铅的毒性限制了其广泛应用, 因此类似化合物SnTe引起了人们关注。但SnTe的载流子浓度较高和晶格热导率较大使其ZT值较低。本研究利用SnO歧化反应对SnTe热电性能实现了协同调控。热压烧结过程中SnO在500 ℃左右发生歧化反应生成Sn单质和单分散的SnO₂颗粒, Sn单质作为自掺杂可以填充SnTe中的Sn空位, 导致载流子浓度降低: 相比于SnTe基体, SnTe-6mol%SnO样品在600 ℃下的电阻率从6.5增大到10.5μΩ•m, Seebeck系数从105增大到146μV•K^-1。同时, 原位反应生成的SnO₂第二相单分散于晶界处, 多尺度散射声子传播而降低晶格热导率, SnTe-6mol%SnO样品晶格热导率在600 ℃下仅为0.6W•m^-1•K^-1, 相比于基体下降了33%左右, 从而使SnTe体系的热电性能得到明显提高。最终, 当SnO加入量为6mol%时, 样品在600 ℃下的ZT值~1, 相比于基体提升了一倍左右。     

遮光剂掺杂Al2O3-SiO2气凝胶/莫来石纤维毡复合材料的高温隔热性能研究

分别以TiCl₄和ZrOCl₂·8H₂O作为钛源和锆源, 经过溶胶-凝胶和超临界CO₂干燥过程, 将遮光剂粒子TiO₂和ZrO₂掺入到Al₂O₃-SiO₂气凝胶, 并进一步以莫来石纤维毡为增强相制备出具有一定力学性能的耐高温气凝胶复合材料, 分别探究了两种遮光剂粒子对复合材料的微观结构、力学性能和热导率的影响。结果显示: 遮光剂粒子的引入可以有效阻止气凝胶在高温下的塌陷和团聚, 保持气凝胶高孔隙率的特性; 复合材料呈现典型的气凝胶填充纤维结构, 并且具有轻质(0.21~0.24 g·cm^-1)和高强度(弯曲强度为0.98~1.26 MPa)的优异性能, 拓展了材料的实用性; 在 1050℃的高温下, 由于 TiO₂ 和 ZrO₂ 粒子对红外电磁波具有吸收和散射作用, 可以将复合材料的热导率由0.098 W·m^-1·K^-1分别降低至0.085 W·m^-1·K^-1和0.076 W·m^-1·K^-1, 从而有效提高材料的高温隔热性能。     

KD-II型碳化硅纤维热输运性质的实验研究

SiC纤维是复合材料SiC_f/SiC中的组分材料, 其力学性能已经得到实验验证, 但热学性能尚未见报道。本研究采用综合T型法测量了不同温度热处理的KD-II型SiC纤维在80~300 K温度范围内的电导率、热导率和塞贝克系数, 热处理温度分别为1400、1500和1600℃。研究发现, 在实验设定的热处理温度范围内, SiC纤维电导率不随热处理温度改变而改变, 但其热导率随热处理温度升高有显著的变化。在环境温度为290 K时, 1600℃热处理的SiC纤维热导率为11.6 W•m^-1•K^-1, 比未热处理的材料提高了42%以上。     

超细氮化硼/环氧树脂复合材料的制备和性能影响

将超细高导热的氮化硼(简称BN)与环氧树脂(简称EP)进行复合制备了EP/超细BN复合材料.研究了超细BN的含量对EP/BN复合材料的导热性能及微观结构的影响.结果表明,当BN质量分数为90%时,EP/BN复合材料的热导率达到1.2447W/(m·K),约为纯EP的7倍.     

环氧树脂/氮化硼/石墨烯纳米片导热复合材料的制备与性能研究

采用十八烷基三甲基溴化铵(OTAB)改性的氮化硼(BN)微粒和石墨烯纳米片(GNP)为导热填料,制备了系列环氧树脂(EP)/改性BN(BNOTAB)/GNP导热绝缘复合材料,研究了填料的种类和含量对复合材料导热性能、电绝缘性能及热稳定性能的影响。结果表明,经OTAB改性后的BN微粒能比较均匀分散于环氧树脂体系中;当m(BNOTAB)/m(GNP)=6∶4时(填料总含量为10%),复合材料的热导率达到0.48 W/(m·K),较纯环氧树脂材料提高了108.7%,而该复合材料仍保持优异的绝缘性能;TGA与DSC结果显示,BNOTAB/GNP填充微粒的加入可以提高环氧树脂复合材料的热稳定性。     

贻贝仿生修饰氮化硼/石墨烯微片环氧导热绝缘材料的制备及性能研究

随着电子技术快速的发展,聚合物材料自身较低的热导率已不能满足现代电子器件的散热需求,因此提高聚合物热导率,实现高效率的传热具有重要意义。利用多巴胺优异的包覆性能实现对氮化硼(BN)粉末和石墨烯微片(GNPs)的表面修饰。然后将功能化的BN和GNPs作为导热填料,制备了系列环氧树脂(EP/BN/mBN/m(BN/GNP))导热绝缘复合材料,研究了填料的种类和含量对复合材料导热性能和电绝缘性能的影响。结果表明,经多巴胺改性后的BN和GNPs能比较均匀分散于环氧树脂体系中;当添加30 wt%的m(BN/GNP)(1∶1)填料时,复合材料的热导率达到0.61 W/(m·K),与纯环氧树脂材料相比提高了238.9%,且该复合材料仍保持优异的绝缘性能。     

诱导相分离BNNS/PES/EP复合材料制备及其热物性研究

通过液相机械剥离法制备了氮化硼纳米片(BNNS)并通过硅烷偶联剂共价修饰和多巴胺非共价修饰制备了双重改性的氮化硼纳米片(KDBNNS);利用反应诱导相分离,将KDBNNS分布在环氧树脂(EP)和聚醚砜(PES)的界面上构成导热通路,制备了KDBNNS/PES/EP复合材料。采用傅里叶变换红外光谱分析、热失重分析(TGA)和共聚焦扫描显微镜等方法对其进行表征。观测到在三元复合材料内的相分离连续界面上通过分布BNNS构筑了三维导热通路。研究表明当BNNS填料质量分数仅为3%时,复合材料的热导率即可达到0.394 W·m^-1K^-1,相较于纯环氧0.194 W·m^-1K^-1提高了103%。     

氮化硼/环氧树脂绝缘导热材料的制备及性能表征

将氮化硼(BN)粉末添加到环氧树脂(EP)中,制备了BN/EP绝缘导热复合材料,并对其热导率、抗拉强度、断面SEM(扫描电子显微镜)以及热失重进行分析,同时探究随着填充量的增加,复合材料的热导率和抗拉强度的变化趋势。结果表明:当20μm的BN的填充量为30%时,由其制备的复合材料的热导率在25℃时达到了0.92W/(m·K),抗拉强度为15.5MPa。并且随着BN填充量的增加,复合材料的热导率也逐渐增加,但抗拉强度逐渐降低。热失重分析说明随着BN填充量的增加,绝缘导热材料的起始分解温度并没有太大的变化,而复合材料的热失重量逐渐减少,分解温度逐渐升高。此外,随着添加BN粒径的增大,复合材料的热导率会增大,而抗拉强度却会减小。     

水热合成BiCl3/Bi2S3复合材料的热电性能

采用水热合成法制备了由纳米棒组成的微米级球形Bi₂S₃颗粒, 然后通过放电等离子烧结技术(SPS)将不同摩尔比例的BiCl₃/Bi₂S₃复合粉末制备成块体。加入适量的BiCl₃不仅提高了Bi₂S₃样品的导电率, 而且降低了其热导率。Bi₂S₃复合0.5mol%BiCl₃的样品在762 K电导率最大, 达到45.1 S·cm^-1, 远高于此温度下纯Bi₂S₃样品的电导率(12.9 S·cm^-1)。Bi₂S₃复合0.25mol% BiCl₃的样品在762 K时热导率最低, 为0.31 W·m^-1·K^-1, 低于同一温度下纯Bi₂S₃的0.47 W·m^-1·K^-1。在762 K下, Bi₂S₃复合0.25mol% BiCl₃的样品获得最大ZT值(0.63), 比纯Bi₂S₃样品(0.22)提高了大约2倍。     

n型SnS热电材料的制备与性能研究

SnS由低毒、廉价、高丰度的元素组成, 在热电研究领域受到广泛关注。采用机械合金化(MA)结合放电等离子烧结(SPS)工艺制备了n型SnS_1-xCl_x(x=0, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06)多晶块体热电样品, 并研究了Cl^-掺杂量对SnS物相、微观结构以及电热输运性能的影响。结果表明: Cl^-的引入会提高电子浓度, 使SnS由本征p型转变为n型半导体。随着Cl^-掺杂量的增加, n型SnS半导体室温下的霍尔载流子浓度从6.31×10¹⁴ cm^-3 (x=0.03)增加到7.27×10¹⁵cm^-3 (x=0.06)。x=0.05样品在823 K取得最大的电导率为408 S·m^-1, 同时具有较高的泽贝克系数为-553 μV•K^-1, 使其获得最大功率因子为1.2 μW·cm^-1·K^-2。Cl^-的掺入会引入点缺陷, 散射声子, 使晶格热导率κ_lat由0.67 W·m^-1·K^-1(x=0)降至0.5 W·m^-1·K^-1 (x=0.02)。x=0.04样品在823 K获得了最大ZT为0.17, 相比于x=0样品(ZT~0.1)提高了70%。     

复合烧结助剂对Si3N4陶瓷力学性能和热导率的影响

Si₃N₄陶瓷因兼具优异的力学和热学性能, 成为第三代半导体陶瓷基板的首选材料之一。本研究以7种不同离子半径的稀土氧化物(RE₂O₃, RE=Sc、Lu、Yb、Y、Gd、Nd、La)与非氧化物(MgSiN₂)作复合烧结助剂, 通过热压烧结和退火热处理制备了高强、高热导Si₃N₄陶瓷, 并系统研究了复合烧结助剂中RE₂O₃种类对Si₃N₄陶瓷物相组成、微结构、力学性能和热导率的影响规律。热压后Si₃N₄陶瓷力学性能优越, 其中添加Nd₂O₃-MgSiN₂的样品弯曲强度达到(1115±49) MPa。退火处理后Si₃N₄陶瓷的热导率得到大幅提升, 呈现出随稀土离子半径减小而逐渐增大的规律, 其中添加Sc₂O₃-MgSiN₂的样品退火后的热导率从54.7 W·m^-1·K^-1提升至80.7 W·m^-1·K^-1, 提升了47.6%。该结果表明, 相较于国际上通用的Y₂O₃-MgSiN₂和Yb₂O₃-MgSiN₂烧结助剂组合, Sc₂O₃-MgSiN₂有望成为制备高强度、高热导Si₃N₄陶瓷的新型复合助剂。     

Ge掺杂MnTe材料的热电输运性能

MnTe作为一种新型的无铅p型热电材料, 在中温区热电领域具有广阔的应用前景, 但其本身的热电性能不足以与高性能n型热电材料相匹配。本研究通过真空熔炼-淬火和放电等离子烧结的方法制备不同Ge掺杂量的致密且均匀的Mn_1.06-xGe_xTe(x=0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04)多晶块体样品。过量的Mn可以有效抑制MnTe₂相, 提高基体相的热电性能。通过掺杂4%Ge粉末, 材料的载流子浓度提高到7.328×10¹⁸ cm^-3, 电导率在873 K增大到7×10³ S∙cm^-1, 功率因子提升至620 μW∙m^-1∙K^-2。同时, 通过点缺陷增强声子散射使材料的热导率降低到0.62 W∙m^-1∙K^-1, 实现了对材料电声输运性能的有效调控。Mn_1.02Ge_0.04Te在873 K获得了0.86的热电优值ZT, 较纯MnTe材料提高了43%。     

熵调控抑制ZrNiSn基half-Heusler热电材料的晶格热导率

ZrNiSn基half-Heusler热电材料具有较高的热导率, 限制了其热电性能进一步提高。为了降低晶格热导率, 本研究采用磁悬浮熔炼和放电等离子烧结的方法制备ZrNiSn和Zr_0.5Hf_0.5Ni_1-xPt_xSn (x=0, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3)高熵half-Heusler热电合金。在Zr位进行Hf原子替代, Ni位进行Pt原子替代以调控该合金的构型熵, 并研究构型熵对热电性能的影响。本工作优化了Zr_0.5Hf_0.5Ni_0.85Pt_0.15Sn在673 K的最小晶格热导率和双极扩散热导率之和为2.1 W·m^-1·K^-1, 与ZrNiSn相比降低了约58%。这一发现为降低ZrNiSn基合金的晶格热导率提供了一种有效的策略, 有助于改善材料的热电性能。     

以YbH2-MgO体系为烧结助剂制备高热导率高强度氮化硅陶瓷

以YbH₂-MgO体系为烧结助剂, 采用两步法烧结制备了高热导率高强度氮化硅陶瓷, 研究了YbH₂-MgO对氮化硅致密化行为、相组成、微观形貌、热导率和抗弯强度的影响。在预烧结阶段, YbH₂在还原SiO₂的同时原位生成了Yb₂O₃, 进而形成“缺氧-富氮”液相。该液相不仅有利于晶粒的生长, 更有利于阻碍晶格氧的生成, 相较于Yb₂O₃-MgO助剂体系, β-Si₃N₄晶粒尺寸更大, 晶格缺陷更少, 低热导晶间相更少, 在1900 ℃保温24 h后, 热导率最优可达131.15 W·m^-1·K^-1, 较Yb₂O₃-MgO体系提升13.7%。用YbH₂代替Yb₂O₃, 在低温条件下烧结制备得到的氮化硅抗弯强度有所改善, 在1800 ℃保温4 h的抗弯强度可达(1008±35) MPa; 但在高温烧结时强度略有下降, 这与微观结构的变化密切相关。研究表明, YbH₂-MgO体系是制备高热导率高强度氮化硅陶瓷的有效烧结助剂。     

区熔法制备金属硫化物Ag2S及其热电性能研究

金属硫化物Ag2S具有优异的物理化学性能,在催化、传感及光电子等领域具有广阔的应用空间.本工作利用一种区熔技术制备了尺寸为?18 mm×50 mm的Ag2S并对其潜在热电性能进行了研究.Ag2S在450 K以下具有标准的 α-Ag2S单斜P21/c结构,450 K以上发生相变成为立方 β-Ag2S相.Ag2S在300～...