一种用于可穿戴热管理的导热柔性复合材料

来源 | Advanced Functional Material

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背景介绍

随着高度集成的电子器件的出现，巨大的功耗产生了过多的热量导致电子设备的热失效。因此，电子器件中的热管理对于提高器件耐用性具有重要意义。传统的电子器件热管理解决方案采用了散热器和热界面材料(TIM)，散热器由高导热金属如铜或铝基材料组成。虽然散热器有高导热系数，但是由于界面热阻的问题导致传热效率低下。此外，近年来10nm级高集成电子器件的发展，TIM在封装高集成电子芯片或异构集成中的热管理作用至关重要。此外，随着可穿戴式、可折叠式、可卷曲式等各种外形设备的发展，对在机械应力下具有高散热性能的TIM的需求也在增加。

为了应对这些挑战，聚合物基复合材料已经投入了大量的精力。传统的复合材料是将导热填料如氧化铝、氮化铝、碳化硅、氧化锌或铜分散在聚合物基体中制备的，这些复合材料的导热系数达到7 W/mK。然而，油脂类材料和低导热系数的问题严重限制了它们在高功率电子设备中的热管理。液态金属导热系数达到30 W/mK，并且通过表面改性方法与聚合物具有良好的可加工性，液态金属基聚合物复合材料在可穿戴类电子的热管理的应用中显示出巨大的潜力。

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成果掠影

近期，新加坡南洋理工大学Pooi See Lee团队针对电子设备的热失效问题开发出了具有优异热管理性能的复合材料。该文介绍了一种用于热管理的可印刷、导热和机械稳定的复合油墨的策略。该文报道了EGaIn纳米颗粒修饰银片/聚乙烯醇(PVB)复合油墨的热管理应用。采用电替换的方法实现了EGaIn纳米颗粒在银片上的修饰。纳米颗粒在银片表面化学锚定并形成合金，在银片之间形成有效的热传递结，使银片具有较高的导热系数(≈140 W/mK)和较高的印刷油墨导电性(≈106 S/m)。此外，由于聚合物粘结剂，印刷油墨在基材上机械稳定，在循环弯曲测试中表现出稳定的导热性和片材电阻。值得注意的是，与商用银膏和导热膏相比，所开发的复合油墨对发光二极管(LED)的散热性能更好。有效降低了LED的结温，从而延长了LED的使用寿命。热管理解决方案可用于下一代柔性电子产品。研究成果以“Flexible and Printable Composite Ink for

Thermal Management of Soft Electronics”为题发表在《Advanced Functional Materials》。

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图文导读

图1. EGaIn纳米颗粒装饰银片/PVB柔性热管理复合材料的制备工艺示意图。

图2. 复合材料的EDS以及结构分析。

图3. 复合材料的导热系数测试。

图4.复合材料的归一化的导热和电阻循环测试。

图5.复合材料与商用导热膏的热管理性能对比。

图5.复合材料的在LED中的应用示意图。

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