具有三维结构的高导热绝缘PI/BNNS@rGO复合薄膜

来源 | Applied Surface Science

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背景介绍

微电子器件的发展加快了网络信息传输的速度。然而，它也可能导致电子设备的功耗和加热能力要求显著增加。为了保证设备的可靠性和延长设备的使用寿命，高频电路板产生的热量必须通过热接口材料(TIMs)进行散热。理想的TIMs应具有高导热性、优异的电绝缘性、柔韧性和轻量化，并适应柔性电子等新兴技术。

 

六方氮化硼(hBN)是石墨烯类似物，具有良好的力学性能、优异的化学稳定性和热稳定性，以及超高的导热系数(200-600 W/mK)，因此在聚合物基复合材料研究领域备受关注。研究结果表明，由于原hBN的聚集性和相容性较差，界面声子振动失配，导热途径不有效，因此hBN基复合材料的导热系数通常较低，不能满足高导热界面材料的要求。

 

由于具有较大的比表面积和丰富的边基，氮化硼纳米片BNNS在聚合物基质中的分散性和相容性方面往往比未剥离的hBN具有前所未有的优势。然而，剥离后的BNNS横向尺寸仅为100 nm，厚度达到10 nm。因此，制备厚度均匀、产率高的高质量BNNS对于制备具有高导热性能的柔性复合膜具有重要意义。

 

近年来，高性能PI纳米纤维薄膜在导热领域得到了广泛的研究。以及利用氧化石墨烯/膨胀石墨复合制备了具有高导热性的多层电磁干扰屏蔽柔性薄膜。根据其他研究结果表明，通过在BNNS之间建立桥梁来提高复合材料的导热性仍然是一个挑战。

 

 

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成果掠影

近期，天津工业大学的范杰教授联合中原工学院的何建新教授在制备柔性高导热纳米复合材料取得新进展。

采用水热法和球磨法对NaOH-LiCl水溶液进行分离，得到了大尺寸(1 ~ 1.5 μm)、超低厚度(2 nm)、高收率(80%)的BNNS。提出了一种简单的电纺丝-电喷涂技术，用于制备具有双组分纳米片填充纳米纤维三维桥接结构的高导热绝缘纳米复合膜。通过阐明双组分多通道三维网络的导热机理，优化纳米片纳米纤维膜的堆叠结构，与PI/50BNNS相比，PI/50BNNS@2.5rGO纳米纤维复合膜的力学性能提高了168%。这是由于BNNS和rGO之间的堆积效应和界面相互作用。

此外，BNNS与还原氧化石墨烯之间的协同效应降低了有效声子散射，从而降低了界面热阻。随着BNNS含量的增加，获得了类似天然珍珠质的层状微观结构。在这种结构中，rGO作为连接相邻堆叠的BNNS层的桥梁，使得PI/ 50BNNS@2.5rGO纳米复合纸的面内导热系数达到16.92 W/m⋅K。该复合材料具有优异的电绝缘性能、较高的热稳定性和良好的热管理性能，是先进领域大功率集成器件电子封装的候选材料。

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

 

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图文导读

图1.BNNS的水热剥离和球磨工艺及PI/BNNS@rGO纳米复合膜的制备示意图。

图2.材料的微观形貌和结构示意图。

图3.材料的微观形貌示意图以及光学照片。

图4.材料的机械性能示意图。

图5.材料的热管理性能。

图6.PI纳米复合膜， PI/50BNNS纳米复合膜，PI/50BNNS@2.5rGO纳米复合膜的模拟与计算示意图。

 

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审核编辑 黄宇