【摘 要】
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聚合物材料具有质轻、耐腐蚀和易加工等特性,在航空航天、能量收集和电子电气等领域具有广阔的应用前景。然而,聚合物材料的本征热导率和电导率极低,限制了其在上述领域的进一步应用。因此,在保障聚合物基体固有特性的前提下,开发具备优异导热/导电性能的聚合物复合材料已成为高能量密度电子器件等高科技领域突破的关键。迄今为止,国内外学者在研究改善聚合物材料导热/导电性能上取得了一定的进展,但现有材料的导热/导电性
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聚合物材料具有质轻、耐腐蚀和易加工等特性,在航空航天、能量收集和电子电气等领域具有广阔的应用前景。然而,聚合物材料的本征热导率和电导率极低,限制了其在上述领域的进一步应用。因此,在保障聚合物基体固有特性的前提下,开发具备优异导热/导电性能的聚合物复合材料已成为高能量密度电子器件等高科技领域突破的关键。迄今为止,国内外学者在研究改善聚合物材料导热/导电性能上取得了一定的进展,但现有材料的导热/导电性能仍不能满足行业发展的需要。近年来,具备优异导热/导电性能的碳化钛（MXene）纳米片的成功制备打开了新型聚合物复合材料制备的大门。本论文中,使用二维MXene纳米片作为导热/导电填料,针对不同的应用,设计制备了不同微观结构的聚合物复合材料,探究了多维填料复配、填料微观结构以及界面性质对聚合物材料导热性能、导电性能和热稳定性能的影响。首先,针对聚合物复合材料中,填料之间难以充分接触这一难题,本文采用多维填料复配体系,选用零维的纳米银和微米银作为主要导热填料,并与二维MXene进行复配,制备了兼具超高热导率与电导率的环氧树脂复合材料。其中,不同尺寸银颗粒的复配,增加了填料之间的相互接触,并有效减少了聚合物复合材料中的填充孔隙;而二维MXene作为纳米银和微米银之间的桥梁,进一步完善了复合材料内部导热、导电网络。研究结果表明:MXene体积分数为0.12%时,聚合物复合材料室温热导率达到了72.7 W/（m·K）,比纯环氧树脂热导率提高了40289%,比纯银填充的环氧树脂复合材料热导率提高了24.7%。同时,复合材料电导率达到了7.4′106 S/m,比相同条件下纯银填充的环氧树脂复合材料电导率提高了27%。此外,本文还制备了不同种类第三填料（如:石墨烯等）填充的银/环氧树脂复合材料,探究了第三填料种类对复合材料导热/导电性能的影响。该研究成果不仅证明了MXene作为导热填料的潜在优势,也为后续高导热/导电聚合物复合材料的设计与制备提供了重要参考。其次,针对低填充量下聚合物复合材料热导率/电导率增加效率低等问题,本文在第三章设计了低填料填充聚合物体系。本文采用单向冷冻和真空浸渍技术制备了纯三维MXene骨架填充的PDMS基纳米复合材料。MXene在聚合物内部相互搭接构筑了丰富的导热/导电网络,有助于声子和载流子的高效传输,极大的提高了复合材料的导热/导电性能。研究结果表明:当MXene填充量仅为2.5 vol%时,聚合物复合材料的室温热导率比纯PDMS热导率提升了220%;电导率达到了5.5S/cm,比纯PDMS的电导率提高了14个数量级。此外,本文首次探究了3D-MXene结构对其制备的摩擦纳米发电机输出电信号的影响:3D-MXene2.5/PDMS复合材料在高频下介电常数较高,提高了复合材料电容和表面电荷密度,赋予了3D-MXene基摩擦纳米发电机优异的输出电压（45 V）;且复合材料较低的阻抗提高了发电机的输出电流（0.6μA）。该结构的成功制备将极大拓宽MXene纳米材料在电子电气、能量收集和热管理领域的应用。
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