近期，中科院合肥研究院固體所高分子與復合材料研究部田興友研究員和張獻研究員團隊以低熔點合金為填料，在實現導熱與電磁屏蔽雙功能聚合物復合材料制備方面取得系列進展，相關成果分別發表在材料領域期刊Composites Part A-Applied Science & Manufacturing，Nanotechnology，ACS Applied Polymer Materials，Materials Research Express上。

       隨著5G時代到來，電子產品在加快更新升級。高頻率的引入使電子設備間的電磁干擾愈加嚴重，同時設備功耗不斷增大，發熱量也隨之快速上升，這成為制約高頻率高功率電子產品發展的關鍵因素。為解決此問題，電子產品在設計時需要加入具有導熱和電磁屏蔽性能的雙功能材料組件。低熔點合金具有較低的熔點，良好的潤濕性能和力學性能，突出的導電和熱導性能，在電磁屏蔽與散熱領域展現出巨大的應用潛力。更為重要的是，低熔點合金填料能在聚合物基體中實現剛性粒子和可變形液滴兩種存在狀態之間的轉換，從而賦予了低熔點合金復合材料許多普通材料所不具備的特殊性能，具有很大的研究和應用價值。 

　　首先，研究團隊以聚合物規則微球為基體，以低熔點合金（SnBi₅₈）作為功能填料，分別在熱塑型聚偏氟乙烯（PVDF）及熱固性環氧（EP）基體中構建了連續的合金微觀網絡結構。合金含量為50 vol%的PVDF/SnBi₅₈復合材料，其導熱系數達到6.38 W/mk，電磁屏蔽效能為68.79 dB。在環氧基體中，借助低熔點合金固-液相變行為，SnBi₅₈合金作為一種“粘結劑”，解決了熱固性環氧樹脂難以通過熱壓加工成型的問題。此外，合金顆粒將多個環氧微球包圍形成環形網狀結構，有效提高了環氧基體的導熱系數及電磁屏蔽效能。 

　　圖1.（a-b）PVDF微球的制備與PVDF/ SnBi₅₈復合材料的制備；（c）復合材料的導熱系數；（d）復合材料的電磁屏蔽效能。 

　  之后，充分利用低熔點合金填料在聚合物基體中能實現剛性粒子和可變形液滴兩種存在狀態之間的轉換，以及SnBi₅₈合金和石墨烯之間的良好聲子功率譜的匹配，同時提高了PVDF/石墨烯（Gr）膜的水平與垂直方向的導熱系數。具有4.8 vol％石墨烯和10.0 vol％LMPA（低熔點合金）的PVDF@4.8Gr/10LMPA復合材料表現出面內導熱系數為9.41 W/mK，面外導熱系數為0.35 W/mK，與PVDF@4.8Gr復合材料相比，分別增加了約245％和130％。 

　　圖2.（a）PVDF@Gr/ SnBi₅₈復合物的制備；（b）復合物的面內方向導熱系數；（c）復合物的面外方向導熱系數。 

　　分別采用不同粒徑的聚合物微球、不同特性的低熔點合金及不同加工溫度，系統考察了隔離結構形成的關鍵影響因素及其與性能的關聯規律。結果表明，合適的模壓加工溫度和微球/合金顆粒的尺寸匹配性決定了微觀隔離網絡結構的形成和導熱性能。SnBi₁₇Cu_0.5合金因其與聚合物基體尺寸的匹配性較高，從而達到了最低的界面熱阻和最優的導熱性能；小尺寸聚合物微球有利于微觀導熱通道的致密化和界面熱阻的降低，也更有利于提高復合材料熱導率。 

　　圖3. 不同復合材料的導熱系數與微觀結構。 

　　低熔點合金優異的導電/導熱特性實現了聚合物基體導熱與電磁屏蔽功能的一體化制備，且其固液相變行為進一步滿足了高效的微觀結構設計和易加工需求。該方法充分利用了低熔點合金的加工優勢及功能特點而獲得了高性能復合材料，工藝簡單、成本低廉，易于規?；?。 

　    該研究工作得到了國家重點研發計劃、中科院STS重點項目等多個項目的支持。 

　　論文鏈接 

　　https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsapm.9b00258                   

　　https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1591/ab52a0 

　　https://doi.org/10.1088/1361-6528/abaf82 

　　https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2020.106245