用于电子器件热管理的高导热性和低导电性的柔性薄膜

来源 | Chemical Engineering Journal

原文 | https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142650

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背景介绍

随着信息时代的不断发展、云计算、人工智能、物联网、大数据，正在彻底改变人类生活。电子系统，包括化工生产中的电子控制器，具有更高的和对小型化、集成化、智能化。但是，电子设备的高度集成通常是伴随着功率密度的增加和更多的热量产生，在运行过程中热量的积累这是很难消散的。过多的热量积累可能导致电子设备性能下降，甚至因热失控而损坏设备，严重时可能威胁到人的生命财产安全。因此，迫切需要开发更先进、更适用于集成电子设备的热管理技术和材料。

相变材料(PSMs)通过相变来储存和释放热能，由于其能量密度大、体积变化小、相变温度相对恒定等特点，在热管理领域具有很大的应用前景。PCMs凭借其优良的温度控制和热管理特性，被公认为过热保护和电子器件的最佳热管理材料。然而，固-液相变材料固有的导热系数低、泄漏、刚性大是制约其在电子设备、5G等高端热管理领域应用的关键问题。

此外，热管理材料的导电性也应考虑在内电子设备。电子产品中有大量的电路集成芯片中，这将不可避免地产生漏电流。热管理材料往往由于含有高导电性石墨烯、碳纳米管(CNTs)等导电性高的导热填料，因此容易引起短路。那么如何使相变材料具有优异的传热性能，同时能保持低的电导率下和优异的柔性是目前面临的挑战之一。

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成果掠影

大连理工大学唐炳涛教授在制备具有高导热和低电阻、以及优异的柔性的热管理材料方面取得新进展。本文提出了一种新型的柔性热管理相变薄膜PCPU/mCNTs。作者将烷基化改性碳纳米管（mCNTs）设计成相变聚氨酯（PCPU）体系。基于高电阻和mCNTs的导热性能，制备出的PCPU / mCNT薄膜表现出增强的导热性和高电阻。实验结果表明，PCPU/ mCNTs薄膜具有优异的柔韧性、抗拉性(>6 MPa)、热稳定性、高相变焓(>92 J/g)、高导热系数和高电阻(比铜高5个数量级)。基于上述优异性能，PCPU/mCNTs薄膜可以通过相变和散热的协同作用，有效地实现电子器件的热管理。此外，PCPU/mCNTs薄膜还可以根据应用场景进行重塑和回收。该工作为电子器件热管理材料的设计提供了一种新思路，未来应进一步关注该方法的普适性。研究成果以“Flexible phase change films with enhanced thermal conductivity and low electrical conductivity for thermal management”为题发表于《Chemical Engineering Journal》。

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图文导读

图1.柔性相变薄膜PCPU/mCNTs的设计思路。

图2.(a) CNTs改性示意图。(b) CNTs和mCNTs的拉曼光谱。(c, d) CNTs和mCNTs的SEM图像，插图显示CNTs和mCNTs在有机相甲苯溶剂中的分散照片。

图3.(a) PCPU的合成过程示意图，(b-c) PCPU/mCNTs的柔性。(d) PCPU和PCPU/mCNTs No. 1-4的拉伸断裂强度直方图。

图4.(a) mCNTs、PEG10000、PCPU和PCPU/mCNTs-3的XRD谱图，(b, c) PCPU和PCPU/mCNTs No. 1-4复合材料的DSC曲线。(d) PCPU、PCPU/mCNTs No. 1-4和PCPU/CNTs-5%复合材料的导热系数变化图，(e) PCPU/mCNTs No. 1-4和PCPU/CNTs-5%的电阻率变化图，插图为PCPU/mCNTs的高电阻率机理示意图。

图5.(a)有和无PCPU/mCNTs-3热管理芯片的红外热像图。(b) PEG、PCPU和PCPU/mCNTs No. 1-4复合材料的TGA曲线。(c) PCPU/mCNTs-3热管理膜的重塑和回收照片。

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