北科大查俊伟教授团队 Adv. Mater.：实现聚酰亚胺介质薄膜新突破 - 双效调控介电和导热性能

2023-10-20 来源：高分子科技

聚酰亚胺（PI）具有机械性能好、热稳定性高、耐化学腐蚀等优势，被认为是解决制约电子电气行业发展的关键性材料。然而，聚合物本身的无定形态以及热导率与介电常数之间的正相关性导致PI的低介电/高导热特性难以协同改善。目前，多数的研究工作也只能从单方面来调节PI的介电或导热性能，虽取得了一定的成果，但对于协调联控聚酰亚胺的低介电-高导热机制仍然鲜为人知。如何设计、开发同时具有高热导率和低介电常数的聚酰亚胺材料依然面临巨大的挑战。

北京科技大学查俊伟教授课题组在前期通过分子结构设计和空间网络架构制备低介电聚酰亚胺的基础上，日前与北方工业大学赵全亮教授课题组合作，提出了构建“3D多孔复合网络”的设计策略和有序“类晶相”的新概念，发展了一种特有结构的低介电-高导热多孔聚酰亚胺复合薄膜。该工作首次将天然萤石（氟化钙，CaF₂）作为导热填料，离子液体（IL）为致孔剂在PI基体中构建了3D多孔复合网络。3D多孔复合网络的构建一方面可通过多孔结构的存在降低体系内部极化分子的密度以实现介电常数的下降；另一方面，3D网络的存在促进了导热填料之间的有效搭接，为声子的高效传输提供了便捷通路。有趣的是，CaF₂与PI之间的电荷转移作用又促进了PI分子链的有效取向，进而诱导了有序“类晶相”结构的形成。3D多孔复合网络和有序“类晶相”结构相联合，共同促进了聚酰亚胺复合材料低介电常数和高导热系数的协同改善，为聚酰亚胺在电子电气领域的创新型发展提供了新思路。

IL-CaF₂/PI多孔复合薄膜的合成及其微观结构

基于天然萤石和PI之间的电荷转移相互作用，形成了具有双折射行为的部分有序结构，显著提高了PI的热管理能力。研究表明，10vol% IL-CaF₂/PI 多孔复合薄膜表现出高热导率（λ=7.22 W?m^-1?K^-1）和低介电常数（ε_r=2.14，f=10⁶ Hz）。

薄膜内部“类晶相”结构的形成机理及其光学特征

这种高效的热传递确保了复合薄膜具有冷却电子器件/设备（如智能手机和发光二极管）和快速光热响应的能力。此外，基于热-声效应，IL-10vol% CaF₂/PI 薄膜可被设计成柔性超声波发声器，其能有效地在宽频范围（20 kHz~100 kHz）内稳定发声，为未来的可穿戴超声波探测器提供了一种新型理想材料。

IL-CaF₂/PI多孔复合薄膜优异的热管理能力和光热响应特性

IL-10 vol% CaF₂/PI基柔性超声波发声器的设计及性能监测

作者提出了“3D多孔复合网络”的创新思路，并基于“类晶相”结构的新概念，开发了一种低介电-高导热的多孔聚酰亚胺复合膜。该设计理念巧妙地打破了制约材料低介电常数和高导热系数难以联控的瓶颈，赋予了聚酰亚胺薄膜优异的多功能性，进一步扩大了聚酰亚胺在电子、电气领域的应用前景。本工作近期以“Dual-effect Coupling for Superior Dielectric and Thermal Conductivity of Polyimide Composite Films Featuring “Crystal-like Phase” Structure”为题发表于Advanced Materials (Doi: 10.1002/adma.202307804)上。第一作者为北京科技大学董晓迪博士生。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202307804

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（责任编辑：xu）

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