具有三維結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱絕緣PI/BNNS@rGO復(fù)合薄膜

來源|Applied Surface Science

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背景介紹

微電子器件的發(fā)展加快了網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)乃俣?。然而，它也可能?dǎo)致電子設(shè)備的功耗和加熱能力要求顯著增加。為了保證設(shè)備的可靠性和延長設(shè)備的使用壽命，高頻電路板產(chǎn)生的熱量必須通過熱接口材料(TIMs)進行散熱。理想的TIMs應(yīng)具有高導(dǎo)熱性、優(yōu)異的電絕緣性、柔韌性和輕量化，并適應(yīng)柔性電子等新興技術(shù)。

六方氮化硼(hBN)是石墨烯類似物，具有良好的力學性能、優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，以及超高的導(dǎo)熱系數(shù)(200-600 W/mK)，因此在聚合物基復(fù)合材料研究領(lǐng)域備受關(guān)注。研究結(jié)果表明，由于原h(huán)BN的聚集性和相容性較差，界面聲子振動失配，導(dǎo)熱途徑不有效，因此hBN基復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)通常較低，不能滿足高導(dǎo)熱界面材料的要求。

由于具有較大的比表面積和豐富的邊基，氮化硼納米片BNNS在聚合物基質(zhì)中的分散性和相容性方面往往比未剝離的hBN具有前所未有的優(yōu)勢。然而，剝離后的BNNS橫向尺寸僅為100 nm，厚度達到10 nm。因此，制備厚度均勻、產(chǎn)率高的高質(zhì)量BNNS對于制備具有高導(dǎo)熱性能的柔性復(fù)合膜具有重要意義。

近年來，高性能PI納米纖維薄膜在導(dǎo)熱領(lǐng)域得到了廣泛的研究。以及利用氧化石墨烯/膨脹石墨復(fù)合制備了具有高導(dǎo)熱性的多層電磁干擾屏蔽柔性薄膜。根據(jù)其他研究結(jié)果表明，通過在BNNS之間建立橋梁來提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性仍然是一個挑戰(zhàn)。

02

成果掠影

近期，天津工業(yè)大學的范杰教授聯(lián)合中原工學院的何建新教授在制備柔性高導(dǎo)熱納米復(fù)合材料取得新進展。

采用水熱法和球磨法對NaOH-LiCl水溶液進行分離，得到了大尺寸(1 ~ 1.5 μm)、超低厚度(2 nm)、高收率(80%)的BNNS。提出了一種簡單的電紡絲-電噴涂技術(shù)，用于制備具有雙組分納米片填充納米纖維三維橋接結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱絕緣納米復(fù)合膜。通過闡明雙組分多通道三維網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)熱機理，優(yōu)化納米片納米纖維膜的堆疊結(jié)構(gòu)，與PI/50BNNS相比，PI/50BNNS@2.5rGO納米纖維復(fù)合膜的力學性能提高了168%。這是由于BNNS和rGO之間的堆積效應(yīng)和界面相互作用。

此外，BNNS與還原氧化石墨烯之間的協(xié)同效應(yīng)降低了有效聲子散射，從而降低了界面熱阻。隨著BNNS含量的增加，獲得了類似天然珍珠質(zhì)的層狀微觀結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，rGO作為連接相鄰堆疊的BNNS層的橋梁，使得PI/ 50BNNS@2.5rGO納米復(fù)合紙的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)達到16.92 W/m?K。該復(fù)合材料具有優(yōu)異的電絕緣性能、較高的熱穩(wěn)定性和良好的熱管理性能，是先進領(lǐng)域大功率集成器件電子封裝的候選材料。

研究成果以“Highly thermally conductive flexible insulated PI/BNNS@rGO nanocomposite paper with a three-dimensional network bridge structure ”為題發(fā)表于《Applied Surface Science》。

03

圖文導(dǎo)讀

圖1.BNNS的水熱剝離和球磨工藝及PI/BNNS@rGO納米復(fù)合膜的制備示意圖。

圖2.材料的微觀形貌和結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3.材料的微觀形貌示意圖以及光學照片。

圖4.材料的機械性能示意圖。

圖5.材料的熱管理性能。

圖6.PI納米復(fù)合膜， PI/50BNNS納米復(fù)合膜，PI/50BNNS@2.5rGO納米復(fù)合膜的模擬與計算示意圖。

END

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審核編輯黃宇