近期，中科院合肥研究院固體所高分子與復合材料研究部與丹麥奧胡斯大學、挪威科學技術大學等單位合作，通過選擇合適的硅烷偶聯劑結構，實現了從分子水平上調控復合材料導熱性能，并進一步探究了其調控機理。相關研究成果以“Covalent coupling regulated thermal conductivity of poly(vinyl alcohol)/boron nitride composite film based on silane molecular structure”為題發表在材料科學著名期刊Composites Part A：Applied Science and Manufacturing 上。

　　隨著電子產品朝著微型化、多功能化方向發展，其集成化程度迅速升高，功率密度大幅增加，由此帶來的散熱困難嚴重影響著器件的工作穩定性和壽命。目前高分子材料在電子封裝材料中占據主導地位，然而一般高分子材料都是熱的不良導體，開發高導熱的高分子熱管理材料成了亟待解決的問題。向高分子材料中添加高導熱組元是提高復合材料導熱性能的常用方法之一。然而熱載體聲子容易被導熱組元和高分子界面散射，限制了熱量傳遞效率。高分子/導熱組元界面成為熱量傳遞的薄弱環節，成為制約復合材料導熱性能提升的瓶頸因素。通過共價鍵鏈接高分子/導熱組元界面為增強熱傳導的常用方法，一般可有效降低界面熱阻。但是引入共價鍵分子自身也會帶來一定熱阻，也有報道某些情況下也會降低復合材料熱導率。 

　　為了詳細闡明共價鍵結構對復合材料導熱性能的影響，以指導高導熱復合材料設計，研究團隊首先通過硅烷偶聯劑共價連接聚乙烯醇(PVA)和羥基改性氮化硼fBN制備復合材料。通過對比正硅酸乙酯（TEOS），乙烯基三乙氧基硅烷(VTES)，3-縮水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）三種硅烷偶聯劑，發現TEOS和VTES，通過水解形成Si-OH，并進一步與PVA和fBN反應，形成共價鍵。然而TEOS因可水解生成更多的Si-OH（4個），相比于VTES（3個Si-OH），更傾向于發生自縮聚反應。由于側鏈較長，GPTMS更傾向側鏈環氧基團開環后與PVA和fBN作用，反應活性點相對較少，共價鏈接作用較弱。 

　　通過系統研究硅烷偶聯劑對PVA/fBN復合材料的導熱性能影響發現，隨著TEOS和VTES含量的增加，復合材料導熱性能逐步提升；然而GPTMS卻呈現出相反趨勢。對比實驗結果結合分子模擬驗證發現，增加硅烷偶聯劑分子中可水解的Si-OR數量，可導致硅烷偶聯劑傾向于自縮聚，進而降低其鏈接PVA/fBN的效率，致使導熱性能提升效果下降。在導熱通路中引入長分子鏈，其自身熱阻作用大于因共價鏈接高分子/導熱組元而帶來的導熱提升作用。研究團隊利用紅外熱成像技術驗證了硅烷偶聯劑調控復合材料的熱傳遞性能效果。結果顯示PVA-VTES-fBN熱響應速度最快，進一步證實了VTES具有最優的改性效果。同時通過對復合材料的LED裝置集成驗證發現，VTES較GPTMS在2分鐘內可降低LED芯片中心點溫度0.7℃。 

　　此工作通過選擇合適的硅烷偶聯劑結構，可實現從分子水平上調控復合材料導熱性能。該研究可對聚合物基熱管理材料的設計具有指導意義。 

　　宮藝副研究員和田興友研究員為文章的共同通訊作者，中科院合肥研究院博士生程華和丹麥奧胡斯大學趙凱博士為該成果的共同第一作者。 

       該工作得到了國家重點研發計劃，中科院STS重點項目，中科院青促會，中科院合肥研究院院長基金和Research Council of Norway等多個項目資助。  

　　全文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X20302657?via%3Dihub。 

　　                      圖1. 三種硅烷偶聯劑與PVA/fBN 交聯結構示意圖。 

　　                        圖2. 復合材料導熱系數及原子徑向分布函數。 

　　                           圖3. 復合材料導熱性能測試。