研究 \\ 氮化硼高度垂直排列取向的橡胶基高性能导热复合材料

来源 | Chemistry of Materials

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背景介绍

随着电子设备的集成化和大功率化，散热问题成为制约其发展的瓶颈。为了保证电子设备的稳定运行，迫切需要一种高性能的热界面材料(TIM)，其通用厚度约为0.05 ~ 5.00 mm，广泛应用于电子元件与散热器之间的间隙。对于电子元件产生的热量向散热器的正传递，TIM应该具有高的面外导热系数(λ⊥)。

六方氮化硼(BN)作为导热填料在TIM中得到了广泛的关注，因为它具有很高的导热性和电绝缘性，特别是单个BN微板的400 W/mK面内导热系数(λ∥)为了充分利用BN的优秀面内导热系数，二维填料的垂直排列方法得到人们的关注，但与平行取向片状填料相比，通常需要更复杂的工艺或特殊的设备。

目前，制造垂直取向的主流方法是冷冻铸造和在填料表面植入磁性纳米颗粒后进行垂直磁感应。最近，文献报道了一种新的堆焊方法，具有操作简单的优点，可以以类似于“放置积木”的方式有效地构建所需的微观结构。得益于这种简单的方法，一些有效的平行定向技术已开始用于制造片状填料的垂直排列，如双辊剪切和带式铸造。在所有的取向技术中，热压工艺是操作最简单，应用最广泛，成型规模最大，尤其是取向效果最好的。但是，这种定向技术尚未报道用于建造垂直排列结构。

为了利用BN中高效的面内热传导，实现TIMs的高面外导热系数，BN填充材料中的热压工艺和堆叠焊接方法的合作对于垂直排列的纳米模拟结构可能是可行的。堆焊过程中，对热压薄膜的性能要求是具有较高的可焊性和高温下的形状稳定性。然而，热压薄膜同时具有这两种特性是具有挑战性的。将动态共价键集成到化学交联网络中以制造聚合物基体，提供了一种在高温下苛刻的可焊性和形状稳定性之间取得平衡的方法。

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成果掠影

近期，北京化工大学先进弹性体中心卢咏来教授和李京超老师在TIMs的设计和制备取得了一种新的进展。该团队报告了一种结合热压取向和堆焊工艺的新方法，该方法基于动态硼酸酯键交联的聚丁二烯(BR)橡胶基体，并通过热压法实现了BN的高度取向。由于动态交联BR的重排机制及其优异的可再加工性，成功完成了后续的焊接工艺，制备出高垂直排列的BN/BR复合材料（VAC）。实验结果表明通过扫描电镜和小角度X射线验证了所设计的VAC具有强取向的微观结构。结果，当BN含量为52 vol %时，VAC达到了前所未有的面外导热系数(14.1 W/mK)，并且与商业TIM相比，芯片运行温度大大降低。除了优异的导热性外，BN/BR复合材料还具有优异的电绝缘性和阻燃性。该仿生复合材料的简单制备和可扩展性为高性能复合材料的设计和制备开辟了新的道路。研究成果以“Vitrimer-Assisted Construction of Boron Nitride Vertically Aligned Nacre-mimetic Composites for Highly Thermally Conductive Thermal Interface Materials ”为题发表于《Chemistry of Materials》。

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图文导读

图1.(a)天然贝壳珠层的微观结构，(b)模拟珍珠微结构VAC的制造示意图。

图2.VAC的微观结构及内部的BN取向度测试。

图3.VAC材料的XRD结构示意图以及不同含量下取向的情况和实物形变照片。

图4.复合材料的焊接示意图以及焊缝照片和取向因子的计算。

图5.VAC的导热性能测试。

图6.VAC复合材料TIM的芯片散热测试。

图7.VAC复合材料的电阻率以及在燃烧过程中的热量变化。

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