中科院宁波材料所刘小青研究员团队 CEJ：动态键交换过程中实现环氧树脂导热填料的高度取向

2023-06-14 来源：高分子科技

过热问题是限制微电子器件进一步集成化、高密度化、小型化发展的关键。具有优异散热能力的热界面材料（TIMs）可以桥连热源和散热器，实现热流的定向耗散。其中，以环氧树脂为基体的TIMs具有高粘接、力学强度高、电绝缘等优势，可以有效降低接触热阻并提升电子设备的可靠性。然而，环氧树脂较低的热导率和各向同性分散的导热填料的散热能力有限。另一方面，环氧树脂的高粘结性和不溶不熔特性也不可避免地加剧“电子垃圾”问题。因此，开发兼具高导热和可回收的环氧TIM具有重要意义。

中科院宁波材料所刘小青研究员一直致力于可持续热固性树脂研究，创制了系列高性能生物基热固性树脂（Prog. Polym. Sci., 2021, 113, 101353; Green Chem., 2021, 23, 8643; Chem. Eng. J., 2022, 428,131226; Compos. B: Eng., 2020, 190, 107926），并发展了新的热固性树脂高值回收方法（碳回收、全组分回收）和多种功能性复合材料（Adv. Mater., 2022, 2209545; Small, 2022, 18, 2202906; Nano Energy, 2022, 100, 107477; ACS Nano, 2021, 15, 12, 19490-19502; Chem. Eng. J., 2023, 460, 141882; Compos. Sci. Tech., 2023, 238, 110028）。

近日，该团队设计了一种含缩醛、二硫和酯键的生物基环氧树脂类玻璃体，用于负载40 wt.%氮化硼（BN）导热填料作为TIM。其中，二硫键的快速键交换能力使内部填料可以在热压条件下取向排列，从而并实现各向异性高导热。同时，环氧基体在加热时的玻璃化转变和应力松弛使TIM具有触变性从而适应粗糙表面，降低接触热阻。此外，得益于多重不稳定键赋予的分级降解机制，该复合材料可以在温和的条件下高效回收高值填料和主要原料。该工作为兼具可回收、高性能的TIMs设计提供了可行的解决思路。

图1. 高散热、可全组分回收的环氧TIM的设计思路

图2. 复合材料的制备、键交换和分级降解机制；热压取向模拟；内部填料形貌

图3. 复合材料的各向异性导热对比、有限元模拟结果

经热压后的复合材料具有优异的各向异性热导率，面内和面外导热分别为3.85和0.296 W m^-1K^-1，各向异性比达到了13。其中，面内导热相比纯树脂和未经热压处理材料分别提升了29倍和3.3倍。此外，面内热导率和导热各向异性比两项性能相比同类型材料具有优势。

图4. 复合材料用作TIM时的散热性能和循环稳定性

由于环氧基体较低的玻璃化温度和键交换温度，环氧TIM可以在适当温度下产生触变性，从而填充粗糙表面，逐渐降低接触热阻。所计算的接触热阻为3.74 × 10^-5 K m^?2 W^?1，接近商售硅脂的2.82 × 10^-5 K m^?2 W^?1。由于较高的面内导热和较低的接触热阻，该TIM可以将芯片的中心热量扩散至整个平面，从而增加散热面积。在等时间内，环氧TIM对应的中心温度相比填料含量近似的商售硅脂（1 W m^-1K^-1）低20 ℃。

此外，得益于多重不稳定键赋予的可分级降解性，该复合材料能在使役周期结束后，在温和的化学条件下形成多相水解体系，实现全组分回收。经计算，BN回收率高达96.2%，其它原料回收率为73.6%-82.4%。本工作为可持续TIM材料的设计和全组分回收提供了思路。

相关成果以“A Full-component recyclable Epoxy/BN thermal interface material with anisotropy high thermal conductivity and interface adaptability”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上（DOI：10.1016/j.cej.2023.143963）。刘敬楷博士和冯浩洋博士为论文的共同第一作者，共同通讯作者为代金月副研究员和刘小青研究员。项目得到了国家万人计划，浙江省万人计划，国家自然科学基金，浙江省自然科学基金、宁波市自然科学基金和中国博士后基金会的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143963

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（责任编辑：xu）

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