研究具有優(yōu)異的散熱性能的雙三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的石墨烯基復(fù)合材料

01

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(yán)重增加。此外，EMI屏蔽過程將相當(dāng)一部分電磁能量轉(zhuǎn)化為熱能，這進(jìn)一步增加了在高功率輻射下的熱量積累。這些問題嚴(yán)重影響電子設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性和使用壽命，對(duì)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(dǎo)熱納米材料引入聚合物基體中，以提高所制備的聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能和電絕緣性能是改性手段之一。然而，在聚合物復(fù)合材料中，通常需要大量的填料來實(shí)現(xiàn)理想的導(dǎo)熱性，因此嚴(yán)重限制了成本、聚合物的可加工性和力學(xué)性能。除此之外，提高復(fù)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(dǎo)熱填料的三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。通過在聚合物基體中構(gòu)建了幾種三維結(jié)構(gòu)，包括垂直排列結(jié)構(gòu)、分離結(jié)構(gòu)、核殼結(jié)構(gòu)和自組裝結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)低填料負(fù)載下的高導(dǎo)熱性能。這是因?yàn)?D結(jié)構(gòu)可以構(gòu)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(fù)面影響。但上述方法均存在樣品制備耗時(shí)長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)受限等缺點(diǎn)。

據(jù)目前報(bào)道，很少有報(bào)道使用犧牲模板在聚合物基體中創(chuàng)建納米填料的3D導(dǎo)熱通道，同時(shí)提高導(dǎo)熱性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)EMI屏蔽性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)電絕緣。此外，高導(dǎo)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(dǎo)電性會(huì)降低其電子電路的穩(wěn)定性，因此對(duì)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(dǎo)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(diǎn)。

02

成果掠影

近日，韓國(guó)Sung Ryong Kim 教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)制備具有高電磁干擾屏蔽（EMI）、導(dǎo)熱性和電絕緣性能的電子封裝材料取得新進(jìn)展。在這項(xiàng)工作中，制備了具有雙三維（3D）結(jié)構(gòu)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(fù)合材料，該材料具有優(yōu)異的電磁屏蔽效果、導(dǎo)熱性和絕緣性。本文中首次制備了多孔GnP/PDMS泡沫的三維結(jié)構(gòu)。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(fù)合材料中形成GF的第二個(gè)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。所制備的多孔GnP30@PDMS泡沫中的GnP含量為30?wt%的時(shí)候EMI效果為51.26?dB。此外，GF/PDMS第二個(gè)三維網(wǎng)絡(luò)的引入對(duì)提高GnP30@PDMS/GF復(fù)合材料的導(dǎo)熱性和電絕緣性能起著至關(guān)重要的作用。GnP30@PDMS/GF8復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)為1.47 W/（m·K），比純PDMS提高了568%，電絕緣性能達(dá)到2.82×10-10 S/cm，電磁干擾SE為50.13?dB。GnP@PDMS/GF復(fù)合材料優(yōu)異的電磁干擾SE與GnP的多孔互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)，而提高的導(dǎo)熱系數(shù)則是由于GnP和GF的雙三維導(dǎo)熱通道。此外，GnP@PDMS/GF8復(fù)合材料被證明具有出色的機(jī)械柔韌性、熱穩(wěn)定性和散熱能力。因此，所研制的GnP@PDMS/GF復(fù)合材料在電子封裝材料領(lǐng)域具有很大的應(yīng)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》。

03

圖文導(dǎo)讀

圖1.GnP@PDMS/GF復(fù)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(fù)合材料的SEM和EDS圖像

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圖4.復(fù)合材料的導(dǎo)電性與電磁屏蔽性能。

圖5. 復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)以及導(dǎo)熱機(jī)制示意圖。

圖6. 復(fù)合材料在芯片封裝熱管理中的應(yīng)用。

審核編輯 ：李倩