熱導(dǎo)率超商用硅脂三倍的各向同性高導(dǎo)熱氮化硼復(fù)合材料

01

背景介紹

隨著集成電路的微型化，實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的高效散熱成為電子器件發(fā)展需要解決的核心瓶頸問題之一。由于常見的高導(dǎo)熱金屬材料因其導(dǎo)電性而無法用于CPU、顯卡等部件的散熱，目前主要采用的是具有高導(dǎo)熱率且絕緣的熱界面材料（TIMs）。TIMs保證了平面垂直方向上的有效熱傳遞及局部熱量在水平方向上的快速擴(kuò)散，同時(shí)，增強(qiáng)了熱源和散熱器粗糙和不均勻表面之間的熱傳遞，在解決電子器件的散熱方面起著關(guān)鍵作用。散熱硅脂材料等商用熱界面材料的熱導(dǎo)率一般為12 Wm?1K?1，已經(jīng)不能很好的滿足高功率密度器件的有效散熱需求。因此，提升熱界面材料的導(dǎo)熱性能仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

氮化硼（BN）納米片具有超高的熱導(dǎo)率、低密度和高電阻率，以 BN納米片填充的聚合物基復(fù)合材料作為熱界面材料已得到了廣泛的研究。但是由于 BN納米片固有的各向異性熱性能（平面內(nèi)熱導(dǎo)率 400?2000 Wm?1K?1，垂直平面熱導(dǎo)率為 30 Wm?1K?1），且 BN與聚合物難以有效構(gòu)建三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，因此仍然很難在BN/聚合物復(fù)合材料中實(shí)現(xiàn)各向同性的超高導(dǎo)熱率。

02

成果掠影

浙江大學(xué)柏浩教授、高微微副教授合作，提出了一種改進(jìn)的雙向凍結(jié)技術(shù)來制備具有雙軸定向?qū)?a target="_blank">網(wǎng)絡(luò)的BN/聚氨酯（BN/PU）復(fù)合材料，該復(fù)合材料在80 vol% BN填充下表現(xiàn)出～39.0Wm?1K?1的超高平面內(nèi)熱導(dǎo)率和～11.5Wm?1K?1的垂直平面熱導(dǎo)率。由于冰晶束縛作用，BN/PU懸浮液被組裝成網(wǎng)絡(luò)，形成一種具有橋連的層狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)過熱壓可得到致密的BN/PU復(fù)合材料。該方法克服了各向異性 BN基復(fù)合材料在某一方向?qū)嵯禂?shù)的增強(qiáng)往往會(huì)犧牲另外一個(gè)方向的導(dǎo)熱系數(shù)的問題?；诖藦?fù)合材料制備的熱界面材料比商業(yè)產(chǎn)品具有更優(yōu)越的冷卻效率，芯片實(shí)際溫度降低了15°C，在1000次加熱和冷卻循環(huán)后仍保持良好的熱穩(wěn)定性。研究提供了一種開發(fā)先進(jìn)熱界面材料的有效途徑，能夠滿足先進(jìn)電子、可穿戴電子等新興領(lǐng)域的產(chǎn)品對(duì)高性能熱界面材料的巨大需求。研究成果以“Isotropically Ultrahigh Thermal Conductive Polymer Composites by Assembling Anisotropic Boron Nitride Nanosheets into a Biaxially Oriented Network”為題發(fā)表于《ACS Nano》期刊。

03

圖文導(dǎo)讀

具有雙向定向網(wǎng)絡(luò)的BN/PU復(fù)合材料的制備流程。

具有單軸定向網(wǎng)絡(luò)的BN/PU復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與熱性能。

不同結(jié)構(gòu)的BN/PU復(fù)合材料的熱性能。

BN/PU復(fù)合材料熱性能的控制。

BN/PU復(fù)合材料作為TIM的應(yīng)用演示。

審核編輯 ：李倩