研究具有優(yōu)異的散熱性能的雙三維網(wǎng)絡結構的石墨烯基復合材料

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背景介紹

由于電子器件逐漸朝著高集成度和高工作頻率的方向快速發(fā)展，電子元件中的發(fā)熱問題和電磁干擾（EMI）屏蔽嚴重增加。此外，EMI屏蔽過程將相當一部分電磁能量轉化為熱能，這進一步增加了在高功率輻射下的熱量積累。這些問題嚴重影響電子設備的可靠性、穩(wěn)定性和使用壽命，對人體健康也有危害。

通過將氮化硼（BN）、碳化硅（SiC）和氟化石墨烯等多種電絕緣和導熱納米材料引入聚合物基體中，以提高所制備的聚合物復合材料的導熱性能和電絕緣性能是改性手段之一。然而，在聚合物復合材料中，通常需要大量的填料來實現(xiàn)理想的導熱性，因此嚴重限制了成本、聚合物的可加工性和力學性能。除此之外，提高復合材料傳熱效率的最有效策略還包括在聚合物基體中建立高導熱填料的三維導熱網(wǎng)絡。通過在聚合物基體中構建了幾種三維結構，包括垂直排列結構、分離結構、核殼結構和自組裝結構，以實現(xiàn)低填料負載下的高導熱性能。這是因為3D結構可以構建有效的互連熱通道，并減少填料-填料和填料-聚合物界面熱阻的負面影響。但上述方法均存在樣品制備耗時長、結構優(yōu)化設計受限等缺點。

據(jù)目前報道，很少有報道使用犧牲模板在聚合物基體中創(chuàng)建納米填料的3D導熱通道，同時提高導熱性，同時實現(xiàn)EMI屏蔽性能，同時實現(xiàn)電絕緣。此外，高導電性是優(yōu)良的EMI屏蔽性能所必需的，但電子封裝材料的高導電性會降低其電子電路的穩(wěn)定性，因此對電氣絕緣性能提出了更高的要求。在這方面，開發(fā)具有優(yōu)異的導熱性、EMI屏蔽效果、和電絕緣性能的電子封裝材料是解決上述問題的研究熱點。

02

成果掠影

近日，韓國Sung Ryong Kim 教授團隊針對制備具有高電磁干擾屏蔽（EMI）、導熱性和電絕緣性能的電子封裝材料取得新進展。在這項工作中，制備了具有雙三維（3D）結構的石墨烯納米片（GnP）和氟化石墨烯（GF）的聚二甲基硅氧烷（PDMS）復合材料，該材料具有優(yōu)異的電磁屏蔽效果、導熱性和絕緣性。本文中首次制備了多孔GnP/PDMS泡沫的三維結構。然后采用真空滲透法將GF/PDMS溶液滲透到GnP@PDMS泡沫中，在GnP@PDMS/GF復合材料中形成GF的第二個三維網(wǎng)絡結構。所制備的多孔GnP30@PDMS泡沫中的GnP含量為30?wt%的時候EMI效果為51.26?dB。此外，GF/PDMS第二個三維網(wǎng)絡的引入對提高GnP30@PDMS/GF復合材料的導熱性和電絕緣性能起著至關重要的作用。GnP30@PDMS/GF8復合材料的導熱系數(shù)為1.47 W/（m·K），比純PDMS提高了568%，電絕緣性能達到2.82×10-10 S/cm，電磁干擾SE為50.13?dB。GnP@PDMS/GF復合材料優(yōu)異的電磁干擾SE與GnP的多孔互聯(lián)網(wǎng)絡相關，而提高的導熱系數(shù)則是由于GnP和GF的雙三維導熱通道。此外，GnP@PDMS/GF8復合材料被證明具有出色的機械柔韌性、熱穩(wěn)定性和散熱能力。因此，所研制的GnP@PDMS/GF復合材料在電子封裝材料領域具有很大的應用前景。研究成果以“Dual 3D Networks of Graphene Derivatives based Polydimethylsiloxane Composites for Electrical Insulating Electronic Packaging Materials with Outstanding Electromagnetic Interference Shielding and Thermal Dissipation Performances”為題發(fā)表于《Chemical Engineering Journal》。

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圖文導讀

圖1.GnP@PDMS/GF復合材料的制備示意圖。

圖2.三維多孔GnP@PDMS泡沫的SEM和EDS圖像。

圖3.GnP30@PDMS/GF0和GnP30@PDMS/GF8復合材料的SEM和EDS圖像

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圖4.復合材料的導電性與電磁屏蔽性能。

圖5. 復合材料的導熱系數(shù)以及導熱機制示意圖。

圖6. 復合材料在芯片封裝熱管理中的應用。

審核編輯 ：李倩