一种具有高导热和绝缘性的PBO纳米复合材料

热管理博览会

2024年1月25日 09:02

来源 | Nano-Micro Letters

背景介绍

导热聚合物基复合纸由于具有高强度、高导热性和优异的可设计性等优点，在锂电池、电容器、集成电路等领域受到了广泛关注。随着小型化和集成化的快速发展，以及功率密度的不断提高，电子器件和电气设备内部的热量积聚问题日益严重，这就对导热聚合物基复合纸的导热性和耐热性提出了更高的要求。此外，为了避免微电子元件之间形成短路电流和信号相互干扰，聚合物基复合纸应具有优异的电绝缘性，以满足实际电子工程中的应用。虽然导热聚合物基体(聚四氟乙烯、聚酰亚胺、芳纶和纤维素纳米纤维等)复合纸由于其成本低、加工工艺简单，但其本身耐热性差或机械性能差，在工业上得到了广泛的应用。或者低导热率限制了它们的应用，不再保证高端电子电器热管理领域的稳定性和可靠性。

在已知的有机纤维中，PBO纤维具有最高的热分解温度(650℃)、最佳的拉伸强度(5.8 GPa)和拉伸模量(280 GPa)，被誉为21世纪的超级纤维。最近的研究表明，通过有机酸剥离得到的PBO纳米纤维(PNF)可以保留PBO纤维优异的力学性能和耐热性。此外，它们的内部含有高度定向的分子链和原始结晶度，具有比普通聚合物基体更好的导热性，在导热聚合物基复合纸领域具有广阔的应用前景

成果掠影

近期，西北工业大学顾军渭/重庆师范大学Tang Yusheng团队通过“溶胶-凝胶”薄膜转化工艺将表面功能化的氮化硼(m-BN)与聚对苯撑苯并二噁唑纳米纤维(PNF)均匀复合，制备出仿贝壳珍珠层结构的m-BN/PNF纳米复合纸。本文采用“高温固相&重氮盐分解”法制备了联苯胺功能化氮化硼(m-BN)。随后，通过溶胶-凝胶膜转化法制备了m-BN/聚(苯并苯并异恶唑)纳米纤维(PNF)纳米复合纸。由于m-BN和PNF之间存在广泛的氢键和π -π相互作用，以及稳定的模拟纳米层状结构，所获得的m-BN/PNF纳米复合纸具有优异的导热性、令人难以置信的电绝缘性、出色的机械性能和热稳定性。其λ∥和λ⊥分别为9.68和0.84 W/mK，体积电阻率和击穿强度分别高达2.3× 10¹⁵ Ω.m和324.2 kV/mm。此外，其抗拉强度高达193.6 MPa，热分解温度高达640℃，在电子器件、电气设备等高端热管理领域具有广阔的应用前景。研究成果以“Flexible and Robust Functionalized Boron Nitride/Poly(p-Phenylene Benzobisoxazole) Nanocomposite Paper with High Thermal Conductivity and Outstanding Electrical Insulation”为题发表在《Nano-Micro Letters》。

图文导读

图1. m-BN/PNF纳米复合纸的制备示意图及其内部结构。m-BN/PNF纳米复合纸的制备示意图(a)；PBO纤维的扫描电镜和光学照片(b)；PNF分散液转化为m-BN/PNF溶胶的过程以及PNF的透射电镜照片(c, d)；m-BN/PNF凝胶及其截面扫描电镜照片(e, f)；m-BN与PNF相互作用的机理图(g)；m-BN/PNF纳米复合纸展现出柔性和耐折叠性的照片及其截面扫描电镜照片(h, i)。

图2. m-BN/PNF纳米复合纸的导热性能和耐热性能。m-BN/PNF纳米复合纸的λ∥(a)和λ⊥(b)；m-BN/PNF-50纳米复合纸在加热电阻中温度随时间变化曲线(c)及相应红外热成像图(c’)；m-BN/PNF-50纳米复合纸在锂离子电池充放电过程的温度随时间变化曲线(d)及相应的红外热成像图(d’)；m-BN/PNF-50纳米复合纸的TGA曲线(e)、阻燃性能(f, g)和燃烧后表面SEM照片(h, i)。