一種具有優(yōu)異導(dǎo)熱性能的石墨烯/氮化硼復(fù)合薄膜

隨著現(xiàn)代大功率器件向小型化、高集成化、多功能化方向發(fā)展，積熱與散熱問題已成為制約其進一步提高可靠性和使用壽命的主要因素。柔性聚合物復(fù)合薄膜在電子系統(tǒng)散熱中發(fā)揮著越來越重要的作用。然而，室溫下導(dǎo)熱系數(shù)在0.1 ~ 0.5 W/(m K)之間的純聚合物無法滿足要求。

到目前為止，與結(jié)構(gòu)復(fù)雜、合成工藝復(fù)雜的導(dǎo)電聚合物相比，高導(dǎo)熱填料復(fù)合材料因其簡單有效而得到了廣泛的應(yīng)用。采用氧化鋁、石墨烯(G)、碳化硅和六方氮化硼(h-BN)等多種導(dǎo)電填料增強聚合物基體的導(dǎo)熱系數(shù)。其中，氮化硼納米片(BNNSs, 導(dǎo)熱系數(shù)為400.0 W/(m K)，楊氏模量為865 (GPa)是典型的二維材料，因其低滲透閾值和高縱橫比而備受關(guān)注。

然而，由于隨機分散的BNNSs或部分定向的BNNSs無法將其各向異性的優(yōu)勢發(fā)揮到最高水平，復(fù)合膜通常表現(xiàn)出中等的導(dǎo)熱系數(shù)，與理論預(yù)測相差甚遠(yuǎn)。因此，高導(dǎo)熱系數(shù)的氮化硼基柔性聚合物薄膜的制備仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。

近期，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的虞錦洪教授、香港理工大學(xué)徐林麗教授和中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李勇教授取得新進展。本文提出了一種基于燃燒合成技術(shù)的快速高產(chǎn)方法，將BNNSs與石墨烯(G)緊密結(jié)合作為雜化填料，將G原位生長在BNNSs的表面和層間，形成特殊的G@BNNS異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。

由G@BNNS填料和纖維素納米纖維(CNF)基質(zhì)經(jīng)過濾制成的可折疊導(dǎo)熱復(fù)合薄膜，其面內(nèi)和面外導(dǎo)熱系數(shù)分別為125.0和2.1 W/(mK)。如此高的導(dǎo)熱系數(shù)是由于G與BNNSs的作用降低了界面熱阻。利用該復(fù)合薄膜作為散熱片，可以在大功率LED器件中有效地進行高功率條件下的多次循環(huán)散熱，并且可以在平面方向上均勻散熱。

研究結(jié)果表明，G@BNNS/CNF薄膜既能滿足現(xiàn)代電子器件的維護性能，又能滿足熱管理的散熱要求。研究成果以“Significantly thermally conductive cellulose composite film with graphene/boron nitride heterojunction structure achieved by combustion synthesis ”為題發(fā)表于《Composites Communications》。

圖1(a)復(fù)合膜的制備示意圖，(b) BNNS/CNF、BNNS + G/CNF和G@BNNS/CNF薄膜的可彎曲性、可折疊性和柔韌性照片，(c-e) BNNS/CNF、BNNS + G/CNF和G@BNNS/CNF薄膜的SEM截面圖，(f) O1s XPS高分辨率光譜，(G) XRD譜圖，(h) TG曲線

圖2(a)復(fù)合膜的制備示意圖，(b) BNNS/CNF、BNNS + G/CNF和G@BNNS/CNF薄膜的可彎曲性、可折疊性和柔韌性照片，(c-e) BNNS/CNF、BNNS + G/CNF和G@BNNS/CNF薄膜的SEM截面圖，(f) O1s XPS高分辨率光譜，(G) XRD譜圖，(h) TG曲線

圖3復(fù)合膜的熱輸運性能;(a)面內(nèi)(b)面外導(dǎo)熱系數(shù)，(c)與純CNF膜相比的TC增強，(d) G@BNNS/CNF膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，(e)添加1 wt% G@BNNS或其他無機填料對CNF基復(fù)合材料TC增強效率的比較，(f) G@BNNS/CNF膜循環(huán)加熱和冷卻后的面內(nèi)和(g)面外導(dǎo)熱系數(shù)，(h)文獻(xiàn)報道與本文的面內(nèi)、面外導(dǎo)熱系數(shù)比較

圖4不同復(fù)合膜的實際應(yīng)用;(a)大功率LED模組散熱測試系統(tǒng)的搭建，(b)固定時間的紅外圖像及對應(yīng)的中心溫度，(c)采用各種復(fù)合薄膜作為散熱片的LED芯片中心溫度隨運行時間的變化，(d)三種復(fù)合薄膜圍繞100 s時的度變化








審核編輯：劉清