在现代集成电子和电信领域，具有高导热和优异电绝缘性能的热管理材料备受关注。通过添加绝缘导热填料可以在保持复合材料电绝缘性能的同时提升导热性能，但提高程度有限。高导电导热的碳系填料对于提高复合材料的导热性能至关重要。然而，它们较大的电导率通常又会导致复合材料电绝缘性能的下降。目前的研究重点是在碳系填料表面引入无机绝缘层，但是也会降低碳系填料的本征热导率。因此，在不对碳填料进行表面改性的情况下制备绝缘导热复合材料仍然是一项巨大的挑战。

近日，四川大学吴宏教授和郭少云教授团队在国际碳材料顶级期刊《Carbon》上，发表了最新研究成果“Constructing Interconnected Network of MWCNT and BNNS in Electrospun TPU films: Achieving Excellent Thermal Conduction Yet Electrical Insulation Properties”。研究者通过静电纺丝、静电喷涂和叠压成型工艺，在热塑性聚氨酯（TPU）复合膜中构筑了多壁碳纳米管@氮化硼纳米颗粒（MWCNT@BNNS）的三维互连网络（图1）。

图1：TPU/5MWCNT@BNNS复合膜的制备过程。

从图2a可以看出，纯TPU纤维表面光滑且结构完整。当添加MWCNT到TPU时，TPU/5MWCNT复合纤维的表面变得粗糙，而且可以看到有部分MWCNT裸露在纤维表面。通过TEM进一步观察发现，在静电纺丝强拉伸力场的作用下，MWCNT沿着复合纤维轴向方向发生取向，这样能够发挥出MWCNT的本征导热作用。

通过静电喷涂工艺将BNNS分散液负载在TPU/5MWCNT复合纤维的三维骨架表面。从图中可以发现，当BNNS含量为10 wt%时，TPU/5MWCNT纤维表面上的BNNS是互相分离的。随着BNNS含量的增加，BNNS在纤维的表面紧密互连，而且它的排列就像动物的鳞片一样重叠，形成了较为完善的导热网络。此外，经过叠压过后可以进一步增大BNNS之间的接触面积，使得三维导热网络变得更加致密。从图2i中可以看出，复合膜经过弯折后而没有被破坏，表明复合膜具有优异的柔性。

图2：TPU/5MWCNT@BNNS复合膜的形貌结构。

如图3a-b所示，TPU复合膜的面内热导率和面外热导率随BNNS含量的增加而增加。与纯TPU膜相比，TPU/5MWCNT@40BNNS复合膜的面内热导率高达9.9 W/(m·K)，显示出1461%的增强效率。另外，在相同的BNNS含量下，TPU/5MWCNT@BNNS复合膜的热导率高于TPU@BNNS复合膜，这主要是因为MWCNT在复合纤维内部构筑了声子传输通道，而且部分MWCNT与复合纤维表面的BNNS搭接，形成了更加密实的三维互连导热网络。

图3：TPU/5MWCNT@BNNS复合膜的导热性能。

图4a显示了TPU@BNNS复合膜和TPU/5MWCNT@BNNS复合膜的体积电阻率。由于MWCNT是沿着TPU复合纤维的轴向方向排列并主要束缚在复合纤维内部，MWCNT的加入对TPU/5MWCNT@BNNS复合膜的体积电阻率影响很小。此外，TPU@BNNS复合膜的体积电阻率高于TPU/5MWCNT@BNNS复合膜，这是因为MWCNT将不可避免地提高复合膜的导电性能。尽管如此，所有TPU复合膜的体积电阻率都大于1011 Ω·cm，这远远超出了绝缘材料的标准（109 Ω·cm）。此外，将TPU/5MWCNT@40BNNS复合膜集成在直流电源和LED灯泡之间时，通电后未发现LED灯泡变亮，从而直观地证明了TPU/5MWCNT@40BNNS复合膜优异的电绝缘性能。

图4：TPU/5MWCNT@BNNS复合膜的电绝缘性能。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622323009363

人物简介：

吴宏，四川大学高分子研究所教授、博士生导师。四川省学术和技术带头人、教育部新世纪优秀人才、四川省杰出青年基金获得者，现任高分子材料工程国家重点实验室副主任，四川大学高分子科学与工程学院党委副书记，兼任中国复合材料学会导热复合材料专委会委员，江苏省复合材料学会热塑性复合材料专委会副主任委员、JCR一区期刊Polymers编委等。长期从事高分子材料定构加工和共混复合改性新原理新技术新装备的研究及产业化工作，在Nano-Micro Letters, Chemical Engineering Journal, Carbon, Small, ACS Applied Materials & Interfaces, Macromolecules等重要学术刊物上发表学术论文192篇（SCI收录157篇），申请中国发明专利45项（已授权34项），先后荣获2018年四川省科技进步奖自然科学类二等奖、2022年中央军委科技委军事科学技术进步二等奖和2023年第十七届冯新德高分子奖最佳文章提名奖。

郭少云，四川大学高分子研究所/高分子材料工程国家重点实验室教授、博士生导师。国务院政府特殊津贴获得者、四川省学术和技术带头人、四川省优秀科技工作者，兼任中国复合材料学会荣誉理事、中国复合材料学会聚合物基分会常务委员、全国塑料标准化技术委员会石化塑料树脂产品分会委员、聚氯乙烯编委会副主任委员以及复合材料学报、高分子材料科学与工程、装备环境工程等期刊编委等。长期从事高分子材料制备新技术和加工新方法、通用高分子材料高性能化与功能化和高分子成型加工特种装备的研究及产业化工作，已发表学术论文500余篇（其中SCI收录350余篇），获授权发明专利99项，获四川省科技进步奖技术发明类一等奖、贵州省科技进步一等奖、中国专利优秀奖、成都市科技进步特等奖、教育部技术发明二等奖、四川省科技进步奖自然科学类二等奖等十多项奖励或称号。