研究：具有优异的稳定性和阻燃性的超高导热聚合物薄膜

来源 | Advanced Functiona Materials

01背景介绍

随着科技的发展如何更好解决电子设备的散热问题，以提高其电子设备的性能和寿命一直是目前研究人员的重点。金属、陶瓷和碳基材料由于其优异的散热性能而被广泛用作导热材料。然而，它们的高密度、脆性差不利于电子产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，耐电、耐腐蚀，在许多应用中都很受欢迎。

然而，聚合物很难在热管理应用中脱颖而出，因为它的导热系数通常低于0.5 W/mK。通常在聚合物中加入无机导热填料(如石墨烯、碳纳米管和氮化硼)以获得高导热性。但是，如何确保无机填料的均匀分散一直是一个复杂的问题。因此，优异的导热系数 (>15 W/mK)只能通过使用多种填料来实现，这通常会导致严重的机械性能损失和密度的显著增加。

聚合物很难直接用于热管理应用。但是，通过优化其结晶度、取向、分子量和化学结构，已经设计出了高导热聚合物薄膜。到目前为止，只有PE薄膜达到了与许多金属和陶瓷(例如304不锈钢(15 W/mK)和氧化铝(30 W/mK)相当的导热系数值。由于PE的软化温度较低(<135℃)，耐火性较差，加之制备方法复杂，在实际应用中难以充分利用PE膜的高导热系数。因此开发具有高导热系数，优异的机械性能和易于加工的聚合物仍然面临严峻的挑战。

02成果掠影

针对聚合物通常具有导热性过低，无法直接用于热管理应用的问题。近期，中科院化学所赵宁团队提出以PBO纳米纤维为基元，通过溶胶-凝胶-膜转化和退火法制备了PBO薄膜。

通过优化PBO纳米纤维溶胶的凝胶化，减少凝胶的不规则收缩，可以有效地改善薄膜中三维互联纳米纤维网络的取向。热退火后，分子链的有序性和纳米纤维之间的相互作用增强，进一步促进了声子转移。因此，形成的PBO薄膜获得了前所未有的导热性、机械强度和抗紫外线性。该方法使得聚合物薄膜的面内导热系数达到了36.7 W/mK，比大多数聚合物(<0.5 W/mK)高出2个数量级，是304-不锈钢的2.4倍。此外，PBO薄膜具有优异的机械强度、热/化学稳定性、电绝缘性、阻燃性和增强的抗紫外线性。轻质、坚固、易于加工的PBO薄膜具有类似金属的导热性，在热管理方面具有广阔的应用前景。

研究成果以“Polymer Films with Metal-Like Thermal Conductivity, Excellent Stability, and Flame Retardancy ”为题发表于《Advanced Functional Materials》。

03图文导读

图1.PBO薄膜的制备流程示意图。

图2.PBO的微观结构示意图。

图3.原PBO薄膜的热导率和力学性能。

图4.PBO薄膜退火后的热导率和力学性能。

图5.PBO薄膜的导热性能以及热管理应用示意图。

　　审核编辑：汤梓红