北化刘勇团队 ACS AMI：电纺高导热复材

2023-09-05 来源：高分子科技

近年来，电子集成技术的发展导致对微型化和高集成度电子设备的需求日益增长，高功率和高能量密度以及快速充放电循环导致热量在电子元件中快速积聚，严重损害了电子元件的可靠性、稳定性和电子设备的整体寿命。导热聚合物材料具有良好的柔韧性、良好的电绝缘性、强大的机械和热性能以及紧凑的设计，在 LED 散热领域、5G 通信设备和电子封装的应用中具有广泛的吸引力。然而，大多数聚合物都是热的不良导体，其固有热导率通常小于0.5 W/(m·K)，在实际应用中还存在散热性能不足等短板。

北京化工大学材料学院刘勇团队利用静电纺丝、真空过滤沉积和热压等方法，成功设计制备了具有优异导热性和电绝缘性能的聚乙烯醇/聚多巴胺改性氮化硼纳米片(PVA/BNNS@PDA)纳米复合材料（图1）。通过真空过滤将BNNS@PDA分散体均匀沉积在电纺PVA纳米纤维垫上，获得连续的填料层。最后堆叠多张纤维垫并经热压形成具有多层结构的纳米复合材料（图2）。

图. 1. 多层结构聚合物复合材料制备流程图

图. 2. 多层结构聚合物复合材料相关形貌表征

改进的结构和功能特性赋予 PVA/BNNS@PDA 纳米复合材料高导热性。首先，BNNS@PDA的表面PDA层有效提高了填料与聚合物基体之间的界面相容性，并显着降低了它们间的界面热阻；其次，BNNS具有高长径比，在真空过滤沉积和热压下表现出高取向，真空过滤可以使填料均匀沉积在聚合物纤维垫中，避免填料团聚并确保提高导热性，即使在低 BNNS 负载下也是如此。第三，BNNS@PDA导热填料和聚合物基体层的交替排列提供了通过相同物质之间的界面的声子传输，因此相同的声子振动特性导致界面处的声子散射较少，复合材料表现出更好的传热效率。凭借这些特点，PVA/BNNS@PDA纳米复合材料表现出16.6 W/(m·K)的超高面内导热系数（BNNS@PDA含量为35.54 wt%）（图3）和散热性能（图4）。纳米复合材料在经折叠 2000 次，导热系数也未有明显变化，并且不会出现任何裂纹，显示出优异的柔韧性和耐剥离性（图5）。

图. 3. 多层结构聚合物复合材料导热系数及机理图

图. 4. 多层结构聚合物复合材料实际散热性能测试

图.5. 多层结构聚合物复合材料柔韧性

该工作以“Constructing Hierarchical Polymer Nanocomposites with Strongly Enhanced Thermal Conductivity”为题发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。北京化工大学材料科学与工程学院2023届硕士毕业生周建伟为本文第一作者，该研究得到国家自然科学基金的支持（21374008）。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.3c09847

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（责任编辑：xu）

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