日本產業技術綜合研究所（產綜研）和東京大學透過將碳奈米纖維（CNF）和奈米碳管（CNT）兩種纖維狀碳材料與環狀聚合體材料聚輪烷結合在一起，開發出了像橡膠一樣柔軟，並且導熱率與金屬不分伯仲的橡膠複材（圖1）。新型橡膠複材在順CNF排列方向具有14W/mK的高導熱率，同時具備高柔軟性。此次開發的材料有望應用於柔性電子器件的熱夾層材料、散熱片和熱放射板等。
圖1：排列CNF的高導熱率橡膠複材的示意圖
此次開發的橡膠複材在聚輪烷中分佈了兩種不同尺寸的纖維狀碳材料（CNF和CNT）作爲填充物。CNF粗200nm，長10～100μm，CNT粗10～30nm，長0.5～2μm。改善纖維狀碳材料在橡膠材料中的分散性以及在複材中形成導熱網被認爲是實施高導熱率的關鍵。爲改善分散性，將CNF和CNT（CNF：CNT重量比爲9：1）分散於氯化鈉水溶液中，利用自主開發的流通式水中電漿重組器對其實施了表面改質。
接下來，在甲苯溶劑中將已表面改質的CNF/CNT混合物與聚輪烷、觸媒和交聯劑混合，然後放入交流電場處理用容器中，再施加交流電場使之發生交聯反應，製作成凝膠。之後用烤箱加熱獲得的凝膠，去除溶劑，就獲得了薄膜狀複材。
圖2是此次開發的複材内部電子顯微鏡影像。透過實施表面改質，繭狀聚集物鬆散開，CNF沿施加的電場方向排列。另外，較小的CNT纏繞在較大的CNF外面，將CNF連接在一起。研究認爲，透過以少量的CNT連接CNF，在整個複材中形成了導熱網絡，從而實施了高導熱率。
圖2：CNF和CNT在此次開發的橡膠複材中排列分散的情況（電子顯微鏡影像）
新開發的橡膠材料即使添加50wt％的纖維狀碳材料也仍然具有高柔軟性，反復變形也沒有發生脆化。研究團隊認爲，纖維狀碳材料與聚輪烷的環狀分子交聯，環狀分子的行程維持了高柔軟性並抑制了脆化（圖3）。
圖3：新開發的橡膠複材外觀
圖4中五星表示此次開發的橡膠複材，圓點表示以往開發的氮化硼橡膠複材，綠色方形區域是用於柔性電子器件用基底層材料的預定開發目標。透過使用經水中電漿表面改質的纖維狀碳材料，導熱率比採用氮化硼材料高出1個數規模，楊氏模數更低（更柔軟）的橡膠複材。作爲柔性電子器件的熱管理材料，已經達到了實用化水平。
圖4：各種材料的楊氏模數與導熱率的關係
中文：JST客觀日本編輯部編譯整理
