具有高導(dǎo)熱性和界面適應(yīng)性的可回收BN/環(huán)氧熱界面材料

來源|Chemical Engineering Journal

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背景介紹

隨著電子器件向小型化、集成化、大功率密化的方向發(fā)展，對(duì)高效散熱技術(shù)的需求日益迫切。熱界面材料(TIMs)通過連接熱源和散熱器，可以有效避免過熱和設(shè)備損壞。最新的TIM不僅要求高熱流密度以適應(yīng)輕量化趨勢(shì)，而且要求可回收性以緩解電子垃圾帶來的環(huán)境壓力。然而，制備既具有高散熱性能又具有可回收性的TIM仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

含有導(dǎo)熱填料的聚合物復(fù)合材料是高性能TIM的可行候選材料。其中氮化硼(BN)填料因其優(yōu)異的各向異性熱輸運(yùn)、介電性能、熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度而受到廣泛關(guān)注。先進(jìn)的BN/聚合物復(fù)合材料主要旨在通過相互接觸、連續(xù)相、規(guī)則取向或單向組裝來獲得更高的導(dǎo)熱性。然而，這些方法不僅涉及復(fù)雜的工藝，而且對(duì)粗糙表面的順應(yīng)性仍未得到解決。

迄今為止，人們已經(jīng)探索了多種策略，包括構(gòu)建夾層結(jié)構(gòu)，降低模量，設(shè)計(jì)微/納米流體，以及使用熱塑性基質(zhì)，以賦予TIM具有適應(yīng)性界面。由于熱塑性材料的彈性變形，在熱塑性復(fù)合材料中，通過葉片涂布、靜電紡絲、熱壓、拉伸等方法可以很容易地獲得填料的界面柔度和取向。然而，熱塑性塑料相對(duì)較低的力學(xué)性能和較高的熱應(yīng)力不利于其長期使用。最近，熱固性樹脂具有低介電常數(shù)和優(yōu)異的熱性能和力學(xué)性能，被認(rèn)為是TIM的理想基材，但其不溶性和不溶性使其難以符合TIM的粗糙表面，難以回收利用。

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成果掠影

近期，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的代金月老師針對(duì)開發(fā)高導(dǎo)熱以及具有可回收性的TIM取得新進(jìn)展。本研究采用熱壓誘導(dǎo)取向法制備了具有各向異性導(dǎo)熱性和可回收性的高性能BN/環(huán)氧復(fù)合材料，并且具有表面相容性的完全可回收的TIM。

結(jié)果表明，僅通過簡單的熱壓處理，填充的BN就可以很容易地在平面上取向，導(dǎo)熱系數(shù)為3.85 W/(mK)，BN含量為40 wt %，比原始環(huán)氧樹脂高30倍，比熱壓處理前的復(fù)合材料高4.3倍。由于優(yōu)越的導(dǎo)熱性和機(jī)械順應(yīng)性，由所制備的復(fù)合材料制成的電子器件的核心溫度比商用硅酮材料低20℃。此外，得益于所合成的環(huán)氧玻璃體的多級(jí)降解機(jī)制，所制備的復(fù)合材料可以在溫和的條件下進(jìn)行高效的化學(xué)回收，BN回收率為96.2%，其他有機(jī)原料的回收率為73.6% ~ 82.4%。這項(xiàng)工作為我們?cè)O(shè)計(jì)可回收和高性能的TIMs提供了一種新的策略。

研究成果以“A Full-component recyclable Epoxy/BN thermal interface material with anisotropy high thermal conductivity and interface adaptability ”為題發(fā)表于《Chemical Engineering Journal》。

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圖文導(dǎo)讀

圖1.BN/環(huán)氧復(fù)合材料的制備及其各向異性和可回收性示意圖。

圖2. (a)所設(shè)計(jì)的環(huán)氧玻璃體體系化學(xué)式以及分級(jí)降解機(jī)理示意圖，(b)機(jī)械性能，(c)儲(chǔ)能模量示意圖。

圖3.(a)熱壓誘導(dǎo)取向過程示意圖，(b)熱壓下BN在環(huán)氧基體中的界面缺陷變化、應(yīng)力分布和取向，環(huán)氧樹脂/BN-40 wt%復(fù)合材料的面內(nèi)截面示意圖，(c)原始復(fù)合材料，(d)加工后的復(fù)合材料，(e)純BN和環(huán)氧/BN-40 wt%復(fù)合材料的XRD，(f)原復(fù)合材料和加工后復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度，(g-h)處理前后環(huán)氧樹脂/BN-40 wt%復(fù)合材料拉伸截面的SEM圖像。

圖4.(a)根據(jù)插圖，環(huán)氧樹脂/BN復(fù)合材料在平行和垂直方向上的導(dǎo)熱系數(shù)，(b)環(huán)氧樹脂/BN復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，(c)各向異性與文獻(xiàn)結(jié)果的比較，(d)加工后的復(fù)合材料與原始復(fù)合材料的仿真結(jié)果。

圖5.(a)不同材料的實(shí)時(shí)紅外圖像，(a)時(shí)間-溫度曲線，(c)純樹脂和復(fù)合材料的體積電阻率，(d)熱穩(wěn)定性，(e) 加熱/冷卻循環(huán)的熱擴(kuò)散系數(shù)值。

圖6.(a)自制含TIM裝置示意圖及對(duì)粗糙表面的適應(yīng)性說明，(c)熱壓后600目砂紙和從砂紙上剝離的環(huán)氧樹脂/BN 40 wt%的SEM圖像，(d)總熱阻的演變，(e)BN-40%/環(huán)氧樹脂和商用硅膠墊片性能對(duì)比。

END

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審核編輯黃宇