仿植物细胞结构高取向石墨/AlN复合材料的界面约束及导热/热膨胀异向协同调控

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51872222
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0204.结构陶瓷
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Highly oriented graphite is one of the most promising thermal management materials at present. How to suppress the high thermal expansion perpendicular to layer direction while achieve the full potential of its ultrahigh thermal conductivity along layer direction is the challenging issue need to be clarified eagerly. In this project, inspired by the plant cell structure, we propose a novel idea for materials design by using the rigid ceramic skeleton cell wall to support the oriented flake-like graphite (GF) particles cytoplasm, which keeps the high thermal conductivity along layer direction of GF particles while using the effects of interfacial confinement of thermal expansion perpendicular to layer direction of GF particles by ceramic skeleton, to realize the coordinated adjustment of the thermal properties in different orientations. A new process of “surface coating-vacuum filtrating-hot pressing” has been developed for the preparation of oriented graphite/AlN composite (OGAC) with plant cell structure, which possesses many excellent properties, such as high thermal conductivity in the in-plane direction and low coefficient of thermal expansion (CTE) in the through-plane direction. In order to further reveal the natures of interfacial confinement and performance adjustment of OGAC, the relationship among fabrication process, microstructure and thermal conductivity/expansion properties will be systematically investigated. We focus on the influence of geometrical dimensions of AlN cell-wall, the microstructures and stresses of AlN/graphite interface on the thermal expansion property, and then the mechanism of interfacial confinement can be clarified. Moreover, the quantitative structure-activity relationship model of “microstructure-thermal properties” will be built, and the coordinated adjustment mechanism for the thermal conductivity and thermal expansion properties in different orientations will be disclosed. Finally, an optimization between the thermal conductivity and thermal expansion properties of the OGAC would be achieved. The project could provide a new approach to design and preparation of oriented ceramic composites with light weight and integrated structural/functional properties.
高取向石墨材料是最具前景的热管理材料之一,在发挥其片层方向超高导热的同时,如何抑制穿层方向高热膨胀是一挑战性难题。受植物细胞结构启发,本项目提出采用刚性陶瓷骨架(胞壁)约束支撑定向排列的片状石墨(胞质)的显微结构设计新思路,在保持石墨层向高导热的同时,借助胞壁的界面约束效应抑制石墨穿层方向热膨胀,以实现导热/热膨胀异向协同调控。通过表面包覆-真空抽滤-热压烧结新工艺制备层向高导热、穿层方向低膨胀的仿植物细胞结构高取向石墨/AlN复合材料。为了进一步揭示界面约束及性能调控的科学本质,项目拟在系统研究制备工艺-显微结构-热性能关联性基础上,重点考察AlN胞壁几何尺寸、AlN/石墨界面结构和应力状态对热膨胀的影响,揭示界面约束机理;着重构建材料“显微结构-热性能”构效关系,阐明热性能异向协同调控机制,最终实现性能跃升。项目成果可为新型轻质结构/功能一体化各向异性复合材料设计制备提供新思路和新方法。

结项摘要

高取向石墨材料是最具前景的热管理材料之一,在发挥其片层方向超高导热的同时,如何抑制穿层方向高热膨胀是一挑战性难题。受植物细胞结构的启发,本项目提出采用刚性陶瓷骨架(胞壁)约束支撑定向排列的片状石墨(胞质)的显微结构设计新思路,在保持石墨层向高导热的同时,借助胞壁的界面约束效应抑制石墨穿层方向热膨胀,以实现导热/热膨胀异向协同调控。为实现这一目标,本项目重点研究了仿植物细胞结构高取向石墨/AlN复合材料的制备工艺及显微结构调控机理、显微结构对热性能的影响规律及界面约束机理、以及“显微结构-热性能”构效关系的建立和导热/热膨胀的异向协同调控。首先,采用“球磨混合-真空抽滤-等离子活化烧结(PAS)”和“溶胶凝胶-碳热还原-PAS”的新工艺均成功出制备仿植物细胞结构高取向石墨/AlN复合材料,研究了AlN含量对复合材料力学和热物理性能的影响,阐明了三维连续AlN陶瓷骨架对石墨穿层方向的热膨胀约束机理。在此基础上,采用具有优异力学性能的碳纳米管(CNTs)作为增强相提高仿植物细胞结构高取向石墨/AlN复合材料的力学性能,研究了CNTs含量对复合材料力学和热物理性能的影响。此外,为提高陶瓷骨架增强相在石墨基体中的均匀性和连续性,也通过熔盐包覆工艺在片状石墨颗粒石墨表面分别包覆均匀的SiC、WC涂层,再结合PAS工艺成功制备出骨架均匀连续的SiC、WC增强高取向石墨复合材料。其中,所制备的仿植物细胞结构高取向石墨/AlN复合材料,其弯曲强度、层向热导率、穿层方向热膨胀系数分别为~80MPa、442 W∙m-1∙K-1和7×10-6 K-1左右,完全满足高功率器件用新型热管理材料的应用需求。本项目的研究结果也为新型轻质结构/功能一体化各向异性复合材料的设计制备提供了新思路和新方法。基于上述研究结果,已发表学术论文25篇,其中SCI论文23篇;申请国家发明专利7项,其中已授权4项;其它结果正在整理中。另外,本项目培养9名研究生,其中博士生3名,硕士生6名。

项目成果

期刊论文数量(25)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(7)
Cu1.75Te nanowires as building blocks to fabricate bulk materials with enhanced thermoelectric performance
Cu1.75Te 纳米线作为构建块来制造具有增强热电性能的块状材料
  • DOI:
    10.1080/10667857.2019.1699271
  • 发表时间:
    2019-12
  • 期刊:
    Materials Technology
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    Bangzhi Ge;Jiabin Hu;Qiong Wang;Hongyan Xia;Shunjian Xu;Zhongqi Shi
  • 通讯作者:
    Zhongqi Shi
SiC honeycomb reinforced Al matrix composite with improved tribological performance
具有改进摩擦学性能的 SiC 蜂窝增强铝基复合材料
  • DOI:
    10.1016/j.ceramint.2021.05.053
  • 发表时间:
    2021-07-13
  • 期刊:
    CERAMICS INTERNATIONAL
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Zhang, Zhejian;Wei, Zhilei;Shi, Zhongqi
  • 通讯作者:
    Shi, Zhongqi
Effect of Bi3+ ion concentration on crystal structure and luminescent properties of blue–green-emitting Y2O3:Bi3+ phosphors
Bi3离子浓度对蓝绿光Y2O3:Bi3荧光粉晶体结构和发光性能的影响
  • DOI:
    10.1142/s1793604720500368
  • 发表时间:
    2020-10
  • 期刊:
    Functional Materials Letters
  • 影响因子:
    1.3
  • 作者:
    Li Qian;Biao Zhang;Zhilei Wei;Miao He;Hailong Wang;Zhipeng Wei;Zhongqi Shi
  • 通讯作者:
    Zhongqi Shi
Atomic Level Defect Structure Engineering for Unusually High Average Thermoelectric Figure of Merit in n-Type PbSe Rivalling PbTe.
原子级缺陷结构工程,可实现与 PbTe 相媲美的 n 型 PbSe 的异常高平均热电品质因数
  • DOI:
    10.1002/advs.202203782
  • 发表时间:
    2022-12
  • 期刊:
    ADVANCED SCIENCE
  • 影响因子:
    15.1
  • 作者:
    Ge, Bangzhi;Lee, Hyungseok;Huang, Lulu;Zhou, Chongjian;Wei, Zhilei;Cai, Bowen;Cho, Sung-Pyo;Li, Jing-Feng;Qiao, Guanjun;Qin, Xiaoying;Shi, Zhongqi;Chung, In
  • 通讯作者:
    Chung, In
Tailoring the thermophysical properties of porous SiC framework reinforced Al-Mg-Si composites by Si alloying content for thermal energy management
通过硅合金含量调整多孔 SiC 骨架增强 Al-Mg-Si 复合材料的热物理性能,用于热能管理
  • DOI:
    10.1080/10667857.2019.1702309
  • 发表时间:
    2020-10
  • 期刊:
    Materials Technology
  • 影响因子:
    3.1
  • 作者:
    Zhejian Zhang;Yuan Yuan;Wenqi Xie;Yuchen Deng;Zhilei Wei;Dangui Liu;Zhongqi Shi
  • 通讯作者:
    Zhongqi Shi

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其他文献

SiC/β-Zn_4Sb_3复合热电材料的制备及性能
  • DOI:
    10.14062/j.issn.0454-5648.2016.06.04
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    硅酸盐学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张超;费友健;史忠旗;刘桂武;乔冠军
  • 通讯作者:
    乔冠军
浸渍及热处理对常压烧结AlN/h-BN复相陶瓷微观结构及性能的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
    硅酸盐学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    杨万利;史忠旗;金志浩;乔冠军
  • 通讯作者:
    乔冠军
SiC复相陶瓷内加热器套管的制备及性能
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
    硅酸盐学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    杨万利;史忠旗;金志浩;乔冠军
  • 通讯作者:
    乔冠军

其他文献

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史忠旗的其他基金

基于石墨@SiC功能基元序构的仿细胞结构复合材料及其长效抗氧化机理
  • 批准号:
    92163112
  • 批准年份:
    2021
  • 资助金额:
    64 万元
  • 项目类别:
    重大研究计划
氮化铝纳米晶须的微反应器燃烧合成机理及其结构控制
  • 批准号:
    51002115
  • 批准年份:
    2010
  • 资助金额:
    20.0 万元
  • 项目类别:
    青年科学基金项目

相似国自然基金

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相似海外基金

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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