北化卢咏来教授团队《Chem. Mater.》：动态共价交联的橡胶基体辅助构筑高度垂直排列取向的BN微观结构用于高性能热界面材料

2023-06-27 来源：高分子科技

热界面材料（TIM）广泛应用于发热元件与散热器之间的接触间隙，排除其中的空气，降低接触热阻，使散热器的作用得到充分发挥，在热管理中起到十分关键的作用。由于热量从发热元件穿过TIM厚度方向传递至散热器，TIM的面外导热系数（λ_⊥）主导了其散热性能。六方氮化硼（BN）是性能优异的导热填料，单个BN微片的平面内导热率（λ_∥）高达400 W?m^-1?K^-1，且具有高度电绝缘性优势。通过模压、剪切等工艺可以比较容易的实现BN片的高度平面取向，但要实现高度垂直取向仍然非常困难。

北京化工大学先进弹性体中心卢咏来教授团队在前期研究中，利用橡胶混炼胶的自粘性，通过卷曲硫化的方法，简便地把BN的面内取向转换成面外取向（Carbon, 2020, 162, 46-55），但这一策略在高的BN填充份数下难以实现有效的界面焊接，使材料的成型加工受到限制。近日，团队展示了一种新的Vitrimer橡胶基体辅助构筑垂直取向结构的方法，引入动态共价交联键强化膜和膜之间的界面焊接，结合热压取向、堆叠焊接以及纵向裁切工艺，获得具有高度BN垂直取向结构的高性能TIM（图1b）。这种高度定向的结构类似于天然贝壳的珍珠层，因其完善的导热通路可以有效提高材料的导热系数（图1a）。该方法基于动态硼酸酯键交联的聚丁二烯（BR）Vitrimer橡胶基体，并通过热压法实现了BN的高度取向。由于动态交联BR的重排机制及其优异的可再加工性，成功完成了后续的焊接工艺，制备出高垂直排列的BN/BR复合材料（VAC）（图2）。制备的VAC面外导热系数（λ_⊥）达到14.1 W?m^-1?K^-1，优于其他方法所报道的BN复合材料（图3）。此外，与商用TIM相比，VAC可以大幅降低电子芯片的工作温度（图4）。这种仿生复合材料制造的简单性和可扩展性意味着该方法适用于由其他二维填料和Vitrimer基体组成的复合材料。期望该工作能够为先进TIM的设计和制备提供新思路和新方法。

图1 （a）天然贝壳珍珠层的微观结构；（b）仿贝壳珍珠层微观结构VAC的工艺路线。

图2 VAC的微观结构及内部的BN取向度测试。

图3 VAC的导热性能测试。

图4 VAC在电脑芯片散热中的应用。

相关工作以“Vitrimer-assisted Construction of Boron Nitride Vertically Aligned Nacre-Mimetic Composites for Highly Thermally Conductive Thermal Interface Materials”为题发表在《Chemistry of Materials》上。文章第一作者是北京化工大学材料科学与工程学院博士生叶能，北京林业大学的李京超讲师和北京化工大学的卢咏来教授为文章的通讯作者，该研究得到了北京市自然科学基金和国家自然科学基金等项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.3c00947

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（责任编辑：xu）

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