一种具有柔软，弹性和可拉伸的复合热界面材料

来源 | Composites Science and Technology 

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背景介绍

从电子封装中的导热材料到智能控制设备中的传感器，功能性聚合物复合材料有着广泛的应用。优异的导热性能通常需要较高的填充量(>50%)，这会使复合凝胶的拉伸性和顺应性恶化。良好的柔韧性使复合凝胶能够更好地贴合非均质组分的不规则表面，从而降低热阻。然而，更好的柔韧性往往意味着聚合物内部的分子链具有更强的流动性，当受到外力作用时，它们更容易发生永久性变形，不可避免地导致析出、分层、开裂和空隙形成。例如，针对可拉伸和柔软材料，提出了降低缠结密度和引入悬垂链等策略，但以牺牲弹性为代价。因此，将优异的拉伸性能和回弹性能整合到软导热复合凝胶中，对于保证复合凝胶的性能和可靠性至关重要，也是一项具有挑战性的任务。

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成果掠影

近期，中国科学院深圳先进技术研究院任琳琳副研究员开发了一种具有优异的弹性、韧性和可拉伸性的导热界面材料。该团队制备了柔软(0.13 MPa)，可拉伸(172%)和弹性(>70%)的复合凝胶，并具有超高填充量。这些理想性能的独特组合主要是通过控制聚合物网络中弹性组分(即交联)和粘性组分(即自由大分子)的比例和延迟填料网络的结构来实现的。复合凝胶的高拉伸性主要是由松散缠结和刚联的协同作用决定的，其中松散缠结将施加的力转移到较大的区域，而刚联则阻止缠结的解缠。高弹性状态下的填充网络决定了其回弹性，既调和了聚合物网络的能量耗散，又拓宽了变形范围，实现了高回弹性。此外，铝填料的超高负载(90 wt%)使复合凝胶具有高导热系数(4.04 W/mk)。在热冲击测试中，复合凝胶在器件通常工作温度范围内表现出优异的热冲击稳定性。在循环加热/冷却测试中，该复合凝胶也表现出比市售热界面材料(TIM)更稳定的散热，该研究结果为设计适合于TIMs的复合凝胶奠定了基础。相关研究成果以“Toward soft, stretchable and resilient high filled composite gels for potential application as thermal interface materials ”为题发表于《Composites Science and Technology 》。

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图文导读

图1. 柔软，可拉伸和弹性高填充复合凝胶的设计原理。

图2. 通过优化共价交联和自由大分子的组合制备高拉伸PDMS基复合凝胶的性能。

图3. 复合凝胶的回弹性。

图4. 复合凝胶在初始状态和经过加载卸载循环后的导热性能和导热系数。

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