自堆叠三维各向异性的PANF- BNNS/EP高导热纳米复合材料

来源 | ACS Applied Materials Interfaces

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背景介绍

随着现代智能电子和通信技术的迅猛发展，开发具有高功率密度和小型化的新型电子器件成为人们研究的热点。聚合物基复合材料具有易于加工、良好的电绝缘性和良好的化学稳定性，是新型设备中应用最多的材料。然而，聚合物基复合材料的低导热性和高温稳定性差限制了其应用范围为了获得更高的散热能力，添加具有高导热性的碳材料(如石墨烯)或无机材料(如氧化铝和氮化硼)等填料是一种优化方法。

六方氮化硼纳米片(BNNSs)的宽禁带(5 ~ 6 eV)、类石墨结构和稳定的结晶度使其具有高导热性、优异的电绝缘性能和优异的热稳定性。然而，制备具有高导热性的BNNS/聚合物复合材料通常采用共混方法，这不仅需要大量填充剂，而且会导致复合材料的机械和电气绝缘性能恶化。通过对BNNS表面的功能化、聚合物的改性和微观结构的设计等方面的努力，已被用于解决这一问题其中，微结构设计是一种有效的方法。

例如，通过使用添加剂(如聚乙烯醇(PVA)和纤维素纳米纤维(CNF))，将BNNS构建成三维(3D)各向异性结构，构建定向导热网络结构，可以极大地提高环氧树脂(EP)基复合材料的导热性。增强的主要原因是紧密连接的BNNS形成的有序结构减小了界面热阻和声子散射。然而，这种3D各向异性结构的构建往往需要特定的条件，从而导致成本增加和影响大规模应用。因此，创建一种更有效的方法来构建具有更好结构的三维各向异性BNNS骨架是至关重要的。

2011年，Kotov的团队通过在强极性碱性溶剂中分解宏观的对芳纶纤维，获得了芳纶纳米纤维(ANFs)高比表面积的特性赋予了ANF优异的可加工性，使其成为一种很有前途的纳米材料。ANF优异的可加工性吸引了众多研究者关注于各种功能材料的设计，如电磁干扰屏蔽材料、电池隔膜材料、绝缘材料、传感器材料和结构材料。使用ANF作为骨架材料构建高度各向异性的3D有序BNNS结构，用于制备高导热聚合物复合材料是一种替代且更简单的方法。

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成果掠影

近期，中国科学院大学黄荣进教授联合清华大学庹新林研究员在制备具有三维(3D)导热结构的复合材料方面取得最新进展。

该团队提出利用聚合诱导的对芳纶纳米纤维(PANF)的框架形成特性和六方氮化硼纳米片(BNNS)的高导热性，通过简单的真空辅助自堆叠方法成功制备了三维层压的PANF- BNNS气凝胶，该气凝胶可作为环氧树脂(EP)的导热骨架。在所制备的PANF-BNNS/EP纳米复合材料中，13.2%的BNNS负载时，其导热系数为3.66 W/mK。通过有限元分析验证了热传导路径的有效性。PANF-BNNS/EP纳米复合材料表现出出色的实用热管理能力，优异的热稳定性，低介电常数和介电损耗，使其成为电子封装应用的可靠材料。本研究也为三维各向异性高效导热网络结构的简单制造提供了一种有潜力和可推广的策略。

研究成果以“Self-Stacked 3D Anisotropic BNNS Network Guided by Para-AramidNanofibers for Highly Thermal Conductive Dielectric Nanocomposites ”为题发表于《ACS Applied Materials Interfaces》。

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图文导读

图1.PANF-BNNS/EP纳米复合材料制备示意图。

图2.PANF-BNNS/EP纳米复合材料的光学照片和SEM示意图。

图3.PANF-BNNS/EP纳米复合材料的热导率以及传热的模拟示意图。

图4.PANF-BNNS/EP纳米复合材料的热管理性能。

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