韩国科学技术研究院研发聚氨酯/氮化硼纳米管复合材料，实现热管理与中子屏蔽协同增强

面向航空航天、核医疗等领域对轻量化、多功能一体化材料的迫切需求，实现高效热管理与中子屏蔽的协同成为关键技术挑战。氮化硼纳米管（BNNTs）虽兼具优异热导率、力学强度及中子吸收能力，但其在聚合物基体中的分散性与界面结合力不足，严重制约了性能发挥。近日，韩国科学技术研究院（KIST）研究团队在《Advanced Composites and Hybrid Materials》上发表重要研究成果，提出通过苯硼酸（PBA）化学改性聚氨酯基体的策略，显著增强了与BNNTs的界面相互作用，成功制备出高性能聚氨酯/BNNT复合材料，在热导率提升近50倍的同时，实现了85.5%的热中子屏蔽效率，为新一代多功能防护材料的设计提供了新思路。

研究亮点

界面创新：利用苯硼酸（PBA）化学改性聚氨酯，与BNNTs形成强界面相互作用，解决分散难题

性能卓越：复合材料压缩强度提升约4.6倍，热导率高达2.24 W/m·K，热中子屏蔽效率达85.5%

工艺适配性强：所采用的熔融共混与热压工艺与现有聚合物加工平台兼容性好，具备规模化潜力

图文解析

图1 展示了聚氨酯泡沫（PUF）及聚氨酯泡沫/BNNTs（PUF/BNNT）的合成流程、化学结构及不同配比样品的宏观形貌，揭示了PBA在构建稳固界面中的关键作用。

图2 通过FT-IR、TGA、SEM及压缩测试，系统表征了纯聚氨酯泡沫的化学结构、热稳定性、微观形貌与力学性能，为复合材料性能提升提供了对比基线。

图3 的性能对比表明，PBA改性与BNNTs的引入协同提升了材料的热稳定性和压缩强度；SEM图像清晰展示了BNNTs在基体中的良好分散，印证了PBA改性的有效性。

图4 的核心性能测试显示，随着BNNTs负载量增加，复合材料的热导率显著提升，圆盘状PU5-BNNT50样品的热导率达到2.24 W/m·K；中子屏蔽测试表明材料具有优异的线性衰减系数与质量衰减系数。

图5 的SEM和3D X射线CT图像从微观结构层面证实，BNNTs在聚氨酯基体中形成了均匀且互联的网络，这是实现高效热传导和中子屏蔽的关键结构因素。

技术支撑

本研究成功制备高性能复合材料，关键在于解决了BNNTs在聚合物基体中的分散与界面问题，其技术环节对工艺和设备有明确要求：

表面改性技术：利用苯硼酸（PBA）对聚氨酯进行精准化学改性，是实现与BNNTs强界面结合的前提。

原位复合与分散工艺：在聚合过程中原位引入BNNTs，并通过双螺杆挤出机进行反复熔融共混，对温度（100°C）与剪切速率（100 rpm）的精确控制是实现BNNTs均匀分散的核心。

高温高压成型工艺：采用热压（20 MPa, 100°C） 工艺致密化，需要设备具备稳定的温度与压力输出，以保障高BNNT负载量复合材料的成型质量。

该技术路线与现有高分子复合材料加工、功能填料改性及成型领域的技术积累高度匹配，特别是在界面工程与高填充复合材料制备方面，为类似功能材料的开发提供了可借鉴的解决方案。

总结与展望

本研究通过巧妙的界面化学设计，成功解决了BNNTs在聚氨酯基体中的分散与界面瓶颈，制备出兼具优异力学性能、高热导率和高效中子屏蔽能力的多功能复合材料。该工作不仅展示了BNNTs在高端复合材料领域的巨大应用潜力，也为解决热管理与辐射防护的协同问题提供了切实可行的材料方案。未来，该策略可进一步拓展至其他高性能聚合物与纳米填料体系，并推动其在航空航天、核能医疗等极端环境下的实际应用。