利用固体废弃物改善硅橡胶复合材料的热导率、电磁屏蔽性能和电气绝缘性能

《Sustainable Materials and Technologies》：Enhancing silicone rubber composites with solid waste for thermal conductivity, electromagnetic shielding and electrical insulation

硅橡胶复合材料通过整合磁性矿物Pyrrhotite尾ings和硫化石墨烯管（S@CNT）实现热导率（1.52 W·m?1·K?1）、高电阻率（5.3×1011 Ω·m）和电磁屏蔽效能（39.6 dB）的协同提升，显著降低界面热阻并增强材料界面化学键合。

　　随着电子设备的不断发展，特别是消费电子产品的微型化、高密度化和高度集成化，对材料的热传导性（TC）、电气绝缘性和电磁干扰（EMI）屏蔽性能提出了更高的要求。为了满足这些需求，研究者们正在积极探索具有多种功能的聚合物复合材料。在这些材料中，橡胶因其优异的柔韧性和良好的热传导性而被广泛应用于热管理领域。然而，如何在不牺牲绝缘性能的前提下，同时提升热传导性和EMI屏蔽能力，仍然是一个具有挑战性的课题。

本文介绍了一种新型的柔性可塑性复合材料——Pyr/S@CNT/RTV-2SR，它通过将磁性矿物和碳基材料的特性相结合，实现了优异的热传导性、电磁屏蔽性能和电气绝缘性。其中，Pyr（黄铁矿）尾矿和工业级碳纳米管（CNT）作为基础填充材料，通过硫化处理，使碳纳米管表面形成硫化物（S@CNT），从而增强了其与橡胶基体之间的界面结合。这种结合不仅提高了热传导效率，还有效降低了界面热阻，为实现高效的热传导和电磁屏蔽性能奠定了基础。

研究中发现，当Pyr的填充量为27 wt%时，S@CNT的添加量为3 wt%，Pyr/S@CNT/RTV-2SR的热传导性达到1.52 W·m?1·K?1，远高于纯橡胶基体（RTV-2SR）的热传导性。同时，其电阻率保持在5.3×1011 Ω·m以上，符合典型的电气绝缘材料标准。在电磁屏蔽性能方面，该材料在8.2–12.4 GHz频率范围内表现出39.6 dB的屏蔽效果，主要依靠吸收机制。这表明，Pyr/S@CNT/RTV-2SR不仅在热传导方面表现出色，还在电磁屏蔽方面具有显著优势。

此外，研究还发现，该材料在经历450次热循环（-40°C至125°C）后，仍能保持其热传导性、电阻率和拉伸强度的稳定性，显示出良好的耐热性和机械性能。同时，在85°C和85%相对湿度下，经过11天的湿热老化测试，其电阻率和拉伸强度均保持在较高水平，表明该材料在实际应用环境中具有较高的可靠性。

为了进一步优化材料性能，研究团队对材料的制备过程进行了系统分析。通过实验测试和理论计算相结合的方法，研究了填料种类、填充比例、硫化时间、固化时间和固化温度等因素对材料性能的影响。实验结果显示，硫化处理能有效提高填料与基体之间的结合强度，从而改善热传导性能。同时，通过2D小角X射线散射（2D-SAXS）技术，可以定量分析填料在基体中的取向分布，这有助于理解填料在材料中的排列方式对热传导和电磁屏蔽性能的影响。

材料的表面形态和内部断裂面结构通过扫描电子显微镜（SEM）进行了详细分析。研究发现，Pyr/S@CNT/RTV-2SR复合材料在断裂面呈现出许多取向的褶皱结构，这些结构在材料内部形成了一种方向性的网络链，进一步提升了材料的热传导性能。同时，EDS图像显示了Fe和S元素在材料中的均匀分布，这表明填料在基体中的分散性良好。

XPS分析结果表明，材料中的硫元素在与填料表面的相互作用中形成了多种硫化物键，包括C-S和S-S键。这些化学键不仅增强了填料与基体之间的界面相互作用，还对材料的热传导和电磁屏蔽性能产生了重要影响。通过计算吸附能，进一步验证了填料与基体之间的强相互作用，为材料的性能提升提供了理论依据。

研究还探讨了材料的热传导机制。通过建立有限元分析模型，对填料之间的热传导路径进行了模拟。结果显示，当填料以适当的比例分布时，可以形成连续的热传导网络，从而显著提高材料的热传导能力。同时，研究还分析了不同填料比例对材料性能的影响，发现当填料含量超过一定阈值时，材料的机械性能会受到影响，甚至可能变得难以加工。因此，材料的性能优化需要在填料含量和机械性能之间找到平衡。

为了进一步提升材料的性能，研究团队还利用密度泛函理论（DFT）计算了材料的吸附行为。计算结果表明，硫化后的碳纳米管能够与黄铁矿表面形成更稳定的化学键，从而降低界面热阻，提高热传导效率。同时，材料的热传导性能与填料的取向和分布密切相关，这为后续的材料设计和性能优化提供了重要的指导。

在实际应用方面，该材料不仅能够有效解决电子设备的热管理问题，还能提供良好的电磁屏蔽效果，适用于电子封装和柔性热管理设备等场景。此外，通过将黄铁矿尾矿与硫化碳纳米管结合，研究团队成功实现了对工业废弃物的再利用，为可持续材料开发提供了新的思路。

综上所述，Pyr/S@CNT/RTV-2SR复合材料在热传导性、电气绝缘性和电磁屏蔽性能方面表现出色，同时具备良好的机械性能和环境适应性。该材料的开发不仅为电子设备的热管理和电磁防护提供了新的解决方案，还通过将工业废弃物转化为高价值材料，为资源的可持续利用和环境保护做出了贡献。未来的研究将进一步探索该材料在不同应用场景中的性能表现，并评估其在其他类型尾矿中的适用性。