新世代的多功能性材料：

阻燃複合材料可實現低熱導率與高電導率

從室內設計師到軟體開發者再到機械工程師，這些職業都有相同的座右銘 — 簡單的設計才是最佳設計。

基於簡單設計的產品通常較易理解、製造成本較低且維修速度較快，勝過基於複雜設計的產品。因此，追求精簡設計是大多數設計師的目標。

多功能材料是材料工程師們不斷追求理想的目標，因為它們能在系統中可以扮演多種角色，從而減少所需元件數量。而且，隨著製造與具特定功能技術的進步，設計具有特定性質的材料比以往任何時候都更容易。

在德國拜羅伊特大學的一項資訊開放取用的研究案中，研究人員利用易於工業化的生產流程，製造出一種新型多功能材料，證明了上述說法的真實性。

他們所創造的材料越來越被新源能領域和微型化電子系統的發展所青睞 — 它同時展現出極低的熱導率與高導電率。

一般在金屬材料領域實現這種低導熱率又具高導電能力的功效極為困難。在金屬中，電流和熱傳遞主要由電子攜帶。由於熱導率與電導率基於相同的傳輸機制，隨溫度變化，兩者會成比例地增加或降低。

相較之下，陶瓷物質主要透過量子化的原子晶格振動（或稱為聲子）來導熱。由於導電率主要基於不同的運輸機制，因此它可實現非比例值的可能性更大。

在某些低密度多孔性的碳材料是已知具有低熱導率和高電導率的特性，但其熱穩定性並不理想，也因此特性而被限制了它們在新世代的高溫裝置（如固態氧化物燃料電池）中的應用。

在這篇新論文中，拜羅伊特大學的研究人員透過將碳與奈米級矽基的陶瓷結合，克服了碳的熱不穩定性。他們分三個步驟完成了柔性碳/矽非織布複合材料。

① 商用聚丙烯腈共聚物（PAN）及不同量的寡矽烷（OSZ）經電紡絲製成不織布纖維。
② 纖維透過逐步溫度程序或直接在大氣中20°至250°C加熱來穩定。
③ 穩定纖維隨後在惰性氮氣氛圍中、1000°C 進行碳化/陶瓷化熱處理1小時，製成碳矽的不織布複合材料。

碳/矽非織造的複合材料具有如海島般的結構，奈米級陶瓷相與碳相呈現均勻分布在每一根纖維中。

碳相可限制電子的傳輸，而陶瓷相則可誘導聲子散射。這二種材料特性的結合，產生出低熱導率與高電導率的效果。

除了低熱導率與高導電率外，研究人員還證明碳/矽不織布複合材料具有耐燃性且熱穩定性高。具體來說，即使在100% 含氧的環境氣氛狀態下，它也能承受在測試期間的高溫環境，並維持原有的纖維形態，證明了這種複合材料的熱穩定性極佳(如下附圖)。

研究人員寫道：「這種類似紡織材料的獨特多功能性新材料，它結合了多種材料類別的最佳特性，例如可媲美熱絕緣的高分子泡棉、類似陶瓷的阻燃與不燃性，以及高導電率。」

本篇為開放性論文，發表於《Science Advances》期刊，題為「永續碳陶瓷電紡織非織布材料的極低熱導率與高電導率」（DOI： 10.1126/sciadv.ade6066）。