一种定向排列的三维氮化硼聚合物复合热界面材料

热管理博览会 2023年7月7日浏览：1754

来源 | Journal of Colloid And Interface Science

背景介绍

随着第五代通信、大功率集成芯片和锂离子电池的发展，对散热提出了更高的要求，促使对导热绝缘热界面材料(TIMs)的需求快速增长。高分子材料以其优异的可加工性、重量轻、成本低等特点受到人们的青睐。然而，聚合物的固有热导率通常很低(0.1 ~ 0.5 W/mK)。采用具有高导热性的填充材料是一种直接有效的策略，可以显著提高聚合物的导热性。

六方氮化硼(BN)是一种二维片层陶瓷材料，其面内导热系数约为300 W/mK，面外导热系数为30 W/mK。良好的电绝缘性使BN在电子设备的热管理应用中具有独特的优势。然而，由于填料与聚合物基体之间存在较大的界面热阻，采用传统的直接共混方法得到的填料/聚合物复合材料的导热系数通常不理想。在聚合物复合材料中构建三维连续导热填充网络已被证明是降低界面热阻和促进声子快速传输的有效策略，已受到广泛关注。

此外，BN在整个聚合物中的垂直排列可以进一步充分利用BN良好的面内导热性，使复合材料的纵向导热性显著增强，以满足TIMs高效垂直散热的需求。已经开发了各种方法来实现填料的垂直对齐，例如3D打印，外场控制，冰模板法等。通过定向冻结，填料沿着冰晶生长方向排列，形成三维互联的垂直排列骨架，显著增强了复合材料的导热性。因此，开发一种更简单、更具成本效益的冰模板工艺来实现BN的远距离垂直有序排列，从而促进高性能TIMs的规模化生产是非常必要的。

成果掠影

一种定向排列的三维氮化硼聚合物复合热界面材料的图2

近期，中国石油大学李永峰老师和中航工业制造技术研究所王晓白老师再开发优异导热性的热界面材料方向取得新进展。本文提出了一种简便经济的冰模板方法，通过单宁酸修饰的BN (BN- TA)直接自组装形成垂直排列的纳米支架，无需额外的粘合剂和后处理。研究了BN浆浓度和BN/TA比对三维骨架形貌的影响。真空浸渍法制备的聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料在填充率为18.7 vol%的情况下获得了3.8 W/mK的高面内导热系数，分别比原始PDMS和随机分布BN-TA的PDMS复合材料高2433%和100%。有限元分析结果从理论上证明了高度纵向有序的BN-TA三维骨架在轴向传热中的优越性。此外，3D BN-TA/PDMS具有优异的实用散热能力，较低的热膨胀系数和增强的机械性能。该策略为开发高性能热界面材料以解决现代电子产品的热挑战提供了一个优异的解决方案。研究成果以“A binder-free ice template method for vertically aligned 3D boron nitride polymer composites towards thermal management”为题发表于《Journal of Colloid And Interface Science》。

图文导读

一种定向排列的三维氮化硼聚合物复合热界面材料的图3

图1.(a)3D BN-TA/PDMS制备示意图，(b) 3D BN-TA/PDMS制备过程的图片。

一种定向排列的三维氮化硼聚合物复合热界面材料的图4

图2.初始氮化硼含量为(a) 50 mg/mL， (b) 150 mg/mL， (c) 200 mg/mL， (g) 250 mg/mL， (h) 300 mg/mL， (i) 400 mg/mL时3D BN- TA骨架的横截面SEM图像。初始BN浆液浓度为(d) 50 mg/mL， (e) 150 mg/mL， (f) 200 mg/mL时3D BN- TA骨架的侧面SEM图像。

一种定向排列的三维氮化硼聚合物复合热界面材料的图5

图3.初始BN浓度为400 mg/mL, BN/TA质量比为(a)1:0，(b)为1:0.1，(c)为1:15 . 5，(d)1:0.3时，三维BN-TA骨架的横截面SEM图像。

一种定向排列的三维氮化硼聚合物复合热界面材料的图6

图4.(a) PDMS复合材料的平面导热系数，(b)有限元模拟了连接和离散BN-TA/PDMS复合材料的传热行为，(c) PDMS复合材料的导热性，(d)冰模板法制备BN/聚合物复合材料的导热系数比较，(e)纯PDMS和PDMS复合材料的热膨胀系数，(f) PDMS、Random BN-TA/PDMS、3D Random BN-TA/PDMS、3D BN-TA/PDMS热传导通道示意图。

一种定向排列的三维氮化硼聚合物复合热界面材料的图7