研究：具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和阻燃性的超高導(dǎo)熱聚合物薄膜

來源|Advanced FunctionaMaterials

01背景介紹

隨著科技的發(fā)展如何更好解決電子設(shè)備的散熱問題，以提高其電子設(shè)備的性能和壽命一直是目前研究人員的重點。金屬、陶瓷和碳基材料由于其優(yōu)異的散熱性能而被廣泛用作導(dǎo)熱材料。然而，它們的高密度、脆性差不利于電子產(chǎn)品的日益小型化和集成化。聚合物由于其良好的加工性能，密度低，耐電、耐腐蝕，在許多應(yīng)用中都很受歡迎。

然而，聚合物很難在熱管理應(yīng)用中脫穎而出，因為它的導(dǎo)熱系數(shù)通常低于0.5 W/mK。通常在聚合物中加入無機導(dǎo)熱填料(如石墨烯、碳納米管和氮化硼)以獲得高導(dǎo)熱性。但是，如何確保無機填料的均勻分散一直是一個復(fù)雜的問題。因此，優(yōu)異的導(dǎo)熱系數(shù)(>15 W/mK)只能通過使用多種填料來實現(xiàn)，這通常會導(dǎo)致嚴重的機械性能損失和密度的顯著增加。

聚合物很難直接用于熱管理應(yīng)用。但是，通過優(yōu)化其結(jié)晶度、取向、分子量和化學(xué)結(jié)構(gòu)，已經(jīng)設(shè)計出了高導(dǎo)熱聚合物薄膜。到目前為止，只有PE薄膜達到了與許多金屬和陶瓷(例如304不銹鋼(15 W/mK)和氧化鋁(30 W/mK)相當?shù)膶?dǎo)熱系數(shù)值。由于PE的軟化溫度較低(<135℃)，耐火性較差，加之制備方法復(fù)雜，在實際應(yīng)用中難以充分利用PE膜的高導(dǎo)熱系數(shù)。因此開發(fā)具有高導(dǎo)熱系數(shù)，優(yōu)異的機械性能和易于加工的聚合物仍然面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。

02成果掠影

針對聚合物通常具有導(dǎo)熱性過低，無法直接用于熱管理應(yīng)用的問題。近期，中科院化學(xué)所趙寧團隊提出以PBO納米纖維為基元，通過溶膠-凝膠-膜轉(zhuǎn)化和退火法制備了PBO薄膜。

通過優(yōu)化PBO納米纖維溶膠的凝膠化，減少凝膠的不規(guī)則收縮，可以有效地改善薄膜中三維互聯(lián)納米纖維網(wǎng)絡(luò)的取向。熱退火后，分子鏈的有序性和納米纖維之間的相互作用增強，進一步促進了聲子轉(zhuǎn)移。因此，形成的PBO薄膜獲得了前所未有的導(dǎo)熱性、機械強度和抗紫外線性。該方法使得聚合物薄膜的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)達到了36.7 W/mK，比大多數(shù)聚合物(<0.5 W/mK)高出2個數(shù)量級，是304-不銹鋼的2.4倍。此外，PBO薄膜具有優(yōu)異的機械強度、熱/化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性、阻燃性和增強的抗紫外線性。輕質(zhì)、堅固、易于加工的PBO薄膜具有類似金屬的導(dǎo)熱性，在熱管理方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

研究成果以“Polymer Films with Metal-Like Thermal Conductivity, Excellent Stability, and Flame Retardancy ”為題發(fā)表于《Advanced Functional Materials》。

03圖文導(dǎo)讀

圖1.PBO薄膜的制備流程示意圖。

圖2.PBO的微觀結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3.原PBO薄膜的熱導(dǎo)率和力學(xué)性能。

圖4.PBO薄膜退火后的熱導(dǎo)率和力學(xué)性能。

圖5.PBO薄膜的導(dǎo)熱性能以及熱管理應(yīng)用示意圖。

審核編輯：湯梓紅