国立先进产业科学技术研究所 [所长中钵良二]（以下简称“AIST”）AIST/东京大学先进操作测量技术开放创新实验室[实验室主任 Yoshiyuki Amemiya] 坚韧复合材料工艺团队白田幸也实验室团队负责人、后藤卓研究助理（东京大学前沿科学研究生院）和国立大学法人东京大学【校长 Makoto Gonokami】（以下简称“东京大学”）前沿科学研究生院寺岛和夫教授（AIST 和东京大学先进操作测量技术开放创新实验室特别研究员）等人。环动聚合物的聚轮烷和水下等离子体使用技术进行表面改性氮化硼的填充物组成弹性体我们开发了一种复合材料。
这次，我们开发了一种氮化硼填料，其表面使用水下等离子体技术进行了改性，以提高其在聚合物中的分散性，而无需使用表面活性剂。环状分子组成和线性聚合物超分子类型的聚轮烷，我们开发了一种兼具柔韧性和高导热性且不易破裂的弹性体复合材料。新开发的弹性体复合材料有望应用于柔性电子设备的基板，这些设备需要柔韧性和散热性。
该技术的详细信息已于 2018 年 3 月 5 日（美国东部时间）发表在国际杂志上应用物理快报
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| 采用水下等离子体表面改性技术制成的弹性体复合材料（左上）（左下）与传统材料（右）的比较 |
最近，具有可自由折叠显示屏的手表式终端、电子纸以及具有辅助人们运动能力的可穿戴机器人等柔性设备在医药、制造和能源等广泛领域引起了人们的关注。这些柔性器件的基板需要柔性且具有高散热性能的材料。例如，佩戴在手臂上的可穿戴医疗保健设备的柔性电路板配备了电源模块、CPU、存储器以及体温、氧气等传感器。随着设备变得更加多功能和更快，这些电子元件产生的热量增加，从而需要具有更好散热的柔性电路板。柔性基板的基膜采用聚酰亚胺基聚合物和高导热填料（玻璃纤维、石墨等）的复合材料，但它们的柔性较低，在贴附到车身上时会出现问题。
通常，在将柔性聚合物与高导热无机填料结合的复合材料的情况下，当增加无机填料的浓度以改善基板的散热时，会损失诸如柔性等机械性能，并且复合材料会变脆。这被认为是由于无机填料的附聚和分散性的降低以及在无机填料和聚合物之间的界面处发生的能量损失。使用表面活性剂提高分散性，同时抑制无机填料的团聚化学改性法是有效的。但随着填料浓度的增加，化学改性剂浓度也显着增加，导致改性不均匀，分散体粘度增加，导致无机填料的分散性下降，机械性能变差。因此，需要新的高填料浓度弹性体复合材料制造技术。
东京大学的寺岛教授和他的同事一直在水下和超临界流体等高温高压流体中进行等离子体生成、诊断和材料转换的研究。此外，产业技术研究院一直在研究使用等离子体和超临界流体的纳米颗粒制造技术。与此同时，东京大学前沿科学研究生院的共同研究员伊藤幸三教授及其同事开发了聚轮烷凝胶，这是一种表现出前所未有的完全弹性特性的环动聚合物，并一直在对其进行应用研究。
目前，AIST/东京大学在先进操作测量技术开放创新实验室，我们正在开发一种名为“Tough Composite”的新型弹性体复合材料，通过将无机填料粘合到环状聚轮烷分子上，该复合材料具有优异的机械性能和功能性，从而即使在高浓度无机填料下也能保持填料的分散性，并使环状分子更具流动性并抑制摩擦能（图 1）。
这次，为了抑制无机填料的团聚，提高其分散性，提高其与聚合物的亲和性，降低无机填料与聚合物之间的界面阻力，我们致力于开发一种技术，通过使用等离子体和高温高压技术对无机填料的表面进行改性，并与聚轮烷具有优异的机械性能。
此项开发得到了日本学术振兴会科学研究补助金 (B)（项目编号：16H04506，2016-2016）的部分支持。
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| 图1坚韧复合材料概念图 |
新开发的弹性体复合材料由作为无机填料的氮化硼（六方晶体）颗粒和聚轮烷组成。首先，将氮化硼颗粒分散在氯化钠水溶液中，然后施加脉冲电压，产生水下等离子体，对表面进行改性（示意图左上）。然后，将表面改性氮化硼颗粒过滤、分离、干燥，并在混合机中与聚轮烷、催化剂和交联剂在甲苯溶剂中捏合和交联以制备弹性体复合材料。氮化硼浓度为50 wt%的弹性体复合材料（示意图左下）质地均匀，无机填料均匀分布在内部，即使在反复变形后也能保持其柔韧性和形状。
使用等离子体表面改性的氮化硼颗粒和未表面改性的氮化硼颗粒，我们制备了氮化硼颗粒浓度为20 wt%和50 wt%的弹性体复合材料，以及不含填料的弹性体作为比较，及其应力伸长率曲线。韧性测量(韧性)。使用氮化硼颗粒的弹性体复合材料（图2左侧的实线）的拉伸强度（应力-伸长率曲线中的最大应力）大于不含填料的弹性体的拉伸强度（图2左侧的黑色虚线）。此外，使用表面改性氮化硼颗粒的弹性体复合材料比没有表面改性的弹性体复合材料具有更长的断裂长度。此外，曲线上升的斜率为杨氏模量，但几乎没有观察到任何变化，并且通过氮化硼颗粒的等离子体表面改性，在保持杨氏模量的同时提高了拉伸强度和断裂伸长率。结果，通过表面改性，韧性提高了多达五倍，使材料不易断裂（图2，右）。
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| 图2 新开发的弹性体复合材料的机械性能 |
图3显示等离子体表面改性氮化硼颗粒和未表面改性氮化硼颗粒的含量与弹性体复合材料的导热率之间的关系。导热系数随着氮化硼颗粒浓度的增加而增加，但在50 wt%或更高的高浓度下，使用表面改性颗粒的复合材料的导热系数比没有表面改性的复合材料高约10%，表明表面改性是有效的。
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| 图3 所开发的弹性体复合材料的热性能 |
图4显示了新开发的弹性体复合材料与其他材料的机械性能和导热率之间的关系。比较图中椭圆内的材料类型，杨氏模量按弹性体、聚合物、金属和陶瓷的顺序增加。从图中可以看出，随着材料杨氏模量的增大，导热系数有增大的趋势，低杨氏模量、高导热系数的区域成为新的特征区域。新开发的弹性体复合材料是一种导热材料，具有不同于现有材料的新特性，有望用于柔性电子等各种需要柔韧性和散热的场合。
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图4 新开发的弹性体复合材料与传统材料的比较
（M。 F Ashby 和 Y J M Brechet，法案。马特。, 2003, 51, 5801) |
未来，我们的目标是通过将无机填料制成纳米粒子并优化水下等离子体处理工艺来进一步提高导热率。此外，我们还在利用激光光谱和软X射线发射吸收光谱研究反应领域。操作数测量，我们将继续阐明这次开发的弹性体复合材料的独特机械性能的表现机制。此外，我们将促进与公司和其他机构的合作，以实现该技术的商业化。