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北化劉勇團(tuán)隊(duì) ACS AMI：電紡高導(dǎo)熱復(fù)材
2023-09-05  來(lái)源：高分子科技

  近年來(lái)，電子集成技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致對(duì)微型化和高集成度電子設(shè)備的需求日益增長(zhǎng)，高功率和高能量密度以及快速充放電循環(huán)導(dǎo)致熱量在電子元件中快速積聚，嚴(yán)重?fù)p害了電子元件的可靠性、穩(wěn)定性和電子設(shè)備的整體壽命。導(dǎo)熱聚合物材料具有良好的柔韌性、良好的電絕緣性、強(qiáng)大的機(jī)械和熱性能以及緊湊的設(shè)計(jì)，在 LED 散熱領(lǐng)域、5G 通信設(shè)備和電子封裝的應(yīng)用中具有廣泛的吸引力。然而，大多數(shù)聚合物都是熱的不良導(dǎo)體，其固有熱導(dǎo)率通常小于0.5 W/(m·K)，在實(shí)際應(yīng)用中還存在散熱性能不足等短板。



  北京化工大學(xué)材料學(xué)院劉勇團(tuán)隊(duì)利用靜電紡絲、真空過(guò)濾沉積和熱壓等方法，成功設(shè)計(jì)制備了具有優(yōu)異導(dǎo)熱性和電絕緣性能的聚乙烯醇/聚多巴胺改性氮化硼納米片(PVA/BNNS@PDA)納米復(fù)合材料（圖1）。通過(guò)真空過(guò)濾將BNNS@PDA分散體均勻沉積在電紡PVA納米纖維墊上，獲得連續(xù)的填料層。最后堆疊多張纖維墊并經(jīng)熱壓形成具有多層結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合材料（圖2）。


圖. 1. 多層結(jié)構(gòu)聚合物復(fù)合材料制備流程圖 


圖. 2. 多層結(jié)構(gòu)聚合物復(fù)合材料相關(guān)形貌表征


  改進(jìn)的結(jié)構(gòu)和功能特性賦予 PVA/BNNS@PDA 納米復(fù)合材料高導(dǎo)熱性。首先，BNNS@PDA的表面PDA層有效提高了填料與聚合物基體之間的界面相容性，并顯著降低了它們間的界面熱阻；其次，BNNS具有高長(zhǎng)徑比，在真空過(guò)濾沉積和熱壓下表現(xiàn)出高取向，真空過(guò)濾可以使填料均勻沉積在聚合物纖維墊中，避免填料團(tuán)聚并確保提高導(dǎo)熱性，即使在低 BNNS 負(fù)載下也是如此。第三，BNNS@PDA導(dǎo)熱填料和聚合物基體層的交替排列提供了通過(guò)相同物質(zhì)之間的界面的聲子傳輸， 因此相同的聲子振動(dòng)特性導(dǎo)致界面處的聲子散射較少，復(fù)合材料表現(xiàn)出更好的傳熱效率。憑借這些特點(diǎn)，PVA/BNNS@PDA納米復(fù)合材料表現(xiàn)出16.6 W/(m·K)的超高面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)（BNNS@PDA含量為35.54 wt%）（圖3）和散熱性能（圖4）。納米復(fù)合材料在經(jīng)折疊 2000 次，導(dǎo)熱系數(shù)也未有明顯變化，并且不會(huì)出現(xiàn)任何裂紋，顯示出優(yōu)異的柔韌性和耐剝離性（圖5）。 


圖. 3. 多層結(jié)構(gòu)聚合物復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)及機(jī)理圖
 

圖. 4. 多層結(jié)構(gòu)聚合物復(fù)合材料實(shí)際散熱性能測(cè)試 


圖.5. 多層結(jié)構(gòu)聚合物復(fù)合材料柔韌性


  該工作以“Constructing Hierarchical Polymer Nanocomposites with Strongly Enhanced Thermal Conductivity”為題發(fā)表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2023屆碩士畢業(yè)生周建偉為本文第一作者，該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金的支持（21374008）。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.3c09847
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