一种具有优异导热性能的石墨烯/氮化硼复合薄膜

 

随着现代大功率器件向小型化、高集成化、多功能化方向发展，积热与散热问题已成为制约其进一步提高可靠性和使用寿命的主要因素。柔性聚合物复合薄膜在电子系统散热中发挥着越来越重要的作用。然而，室温下导热系数在0.1 ~ 0.5 W/(m K)之间的纯聚合物无法满足要求。

到目前为止，与结构复杂、合成工艺复杂的导电聚合物相比，高导热填料复合材料因其简单有效而得到了广泛的应用。采用氧化铝、石墨烯(G)、碳化硅和六方氮化硼(h-BN)等多种导电填料增强聚合物基体的导热系数。其中，氮化硼纳米片(BNNSs, 导热系数为400.0 W/(m K)，杨氏模量为865 (GPa)是典型的二维材料，因其低渗透阈值和高纵横比而备受关注。

然而，由于随机分散的BNNSs或部分定向的BNNSs无法将其各向异性的优势发挥到最高水平，复合膜通常表现出中等的导热系数，与理论预测相差甚远。因此，高导热系数的氮化硼基柔性聚合物薄膜的制备仍是一个巨大的挑战。

 

近期，中国科学院宁波材料技术与工程研究所的虞锦洪教授、香港理工大学徐林丽教授和中国科学院大连化学物理研究所李勇教授取得新进展。本文提出了一种基于燃烧合成技术的快速高产方法，将BNNSs与石墨烯(G)紧密结合作为杂化填料，将G原位生长在BNNSs的表面和层间，形成特殊的G@BNNS异质结结构。

由G@BNNS填料和纤维素纳米纤维(CNF)基质经过滤制成的可折叠导热复合薄膜，其面内和面外导热系数分别为125.0和2.1 W/(mK)。如此高的导热系数是由于G与BNNSs的作用降低了界面热阻。利用该复合薄膜作为散热片，可以在大功率LED器件中有效地进行高功率条件下的多次循环散热，并且可以在平面方向上均匀散热。

研究结果表明，G@BNNS/CNF薄膜既能满足现代电子器件的维护性能，又能满足热管理的散热要求。研究成果以“Significantly thermally conductive cellulose composite film with graphene/boron nitride heterojunction structure achieved by combustion synthesis  ”为题发表于《Composites Communications》。  

图1 (a)复合膜的制备示意图，(b) BNNS/CNF、BNNS + G/CNF和G@BNNS/CNF薄膜的可弯曲性、可折叠性和柔韧性照片，(c-e) BNNS/CNF、BNNS + G/CNF和G@BNNS/CNF薄膜的SEM截面图，(f) O1s XPS高分辨率光谱，(G) XRD谱图，(h) TG曲线  

图2 (a)复合膜的制备示意图，(b) BNNS/CNF、BNNS + G/CNF和G@BNNS/CNF薄膜的可弯曲性、可折叠性和柔韧性照片，(c-e) BNNS/CNF、BNNS + G/CNF和G@BNNS/CNF薄膜的SEM截面图，(f) O1s XPS高分辨率光谱，(G) XRD谱图，(h) TG曲线  

图3 复合膜的热输运性能;(a) 面内(b)面外导热系数， (c)与纯CNF膜相比的TC增强，(d) G@BNNS/CNF膜内部结构示意图，(e)添加1 wt% G@BNNS或其他无机填料对CNF基复合材料TC增强效率的比较，(f) G@BNNS/CNF膜循环加热和冷却后的面内和(g)面外导热系数，(h)文献报道与本文的面内、面外导热系数比较  

图4 不同复合膜的实际应用;(a)大功率LED模组散热测试系统的搭建，(b)固定时间的红外图像及对应的中心温度，(c)采用各种复合薄膜作为散热片的LED芯片中心温度随运行时间的变化，(d)三种复合薄膜围绕100 s时的度变化   








审核编辑：刘清