用于電子器件熱管理的高導熱性和低導電性的柔性薄膜

來源|Chemical Engineering Journal

原文 |https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142650

01背景介紹

隨著信息時代的不斷發(fā)展、云計算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)，正在徹底改變?nèi)祟惿睢?a target="_blank">電子系統(tǒng)，包括化工生產(chǎn)中的電子控制器，具有更高的和對小型化、集成化、智能化。但是，電子設(shè)備的高度集成通常是伴隨著功率密度的增加和更多的熱量產(chǎn)生，在運行過程中熱量的積累這是很難消散的。過多的熱量積累可能導致電子設(shè)備性能下降，甚至因熱失控而損壞設(shè)備，嚴重時可能威脅到人的生命財產(chǎn)安全。因此，迫切需要開發(fā)更先進、更適用于集成電子設(shè)備的熱管理技術(shù)和材料。

相變材料(PSMs)通過相變來儲存和釋放熱能，由于其能量密度大、體積變化小、相變溫度相對恒定等特點，在熱管理領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。PCMs憑借其優(yōu)良的溫度控制和熱管理特性，被公認為過熱保護和電子器件的最佳熱管理材料。然而，固-液相變材料固有的導熱系數(shù)低、泄漏、剛性大是制約其在電子設(shè)備、5G等高端熱管理領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

此外，熱管理材料的導電性也應(yīng)考慮在內(nèi)電子設(shè)備。電子產(chǎn)品中有大量的電路集成芯片中，這將不可避免地產(chǎn)生漏電流。熱管理材料往往由于含有高導電性石墨烯、碳納米管(CNTs)等導電性高的導熱填料，因此容易引起短路。那么如何使相變材料具有優(yōu)異的傳熱性能，同時能保持低的電導率下和優(yōu)異的柔性是目前面臨的挑戰(zhàn)之一。

02成果掠影

大連理工大學唐炳濤教授在制備具有高導熱和低電阻、以及優(yōu)異的柔性的熱管理材料方面取得新進展。

本文提出了一種新型的柔性熱管理相變薄膜PCPU/mCNTs。作者將烷基化改性碳納米管（mCNTs）設(shè)計成相變聚氨酯（PCPU）體系?；诟唠娮韬蚼CNTs的導熱性能，制備出的PCPU / mCNT薄膜表現(xiàn)出增強的導熱性和高電阻。實驗結(jié)果表明，PCPU/ mCNTs薄膜具有優(yōu)異的柔韌性、抗拉性(>6 MPa)、熱穩(wěn)定性、高相變焓(>92 J/g)、高導熱系數(shù)和高電阻(比銅高5個數(shù)量級)?；谏鲜鰞?yōu)異性能，PCPU/mCNTs薄膜可以通過相變和散熱的協(xié)同作用，有效地實現(xiàn)電子器件的熱管理。此外，PCPU/mCNTs薄膜還可以根據(jù)應(yīng)用場景進行重塑和回收。該工作為電子器件熱管理材料的設(shè)計提供了一種新思路，未來應(yīng)進一步關(guān)注該方法的普適性。

研究成果以“Flexible phase change films with enhanced thermal conductivity and low electrical conductivity for thermal management”為題發(fā)表于《Chemical Engineering Journal》。

03圖文導讀

圖1.柔性相變薄膜PCPU/mCNTs的設(shè)計思路。

圖2.(a) CNTs改性示意圖。(b) CNTs和mCNTs的拉曼光譜。(c, d) CNTs和mCNTs的SEM圖像，插圖顯示CNTs和mCNTs在有機相甲苯溶劑中的分散照片。

圖3.(a) PCPU的合成過程示意圖，(b-c) PCPU/mCNTs的柔性。(d) PCPU和PCPU/mCNTs No. 1-4的拉伸斷裂強度直方圖。

圖4.(a) mCNTs、PEG10000、PCPU和PCPU/mCNTs-3的XRD譜圖，(b, c) PCPU和PCPU/mCNTs No. 1-4復合材料的DSC曲線。(d) PCPU、PCPU/mCNTs No. 1-4和PCPU/CNTs-5%復合材料的導熱系數(shù)變化圖，(e) PCPU/mCNTs No. 1-4和PCPU/CNTs-5%的電阻率變化圖，插圖為PCPU/mCNTs的高電阻率機理示意圖。

圖5.(a)有和無PCPU/mCNTs-3熱管理芯片的紅外熱像圖。(b) PEG、PCPU和PCPU/mCNTs No. 1-4復合材料的TGA曲線。(c) PCPU/mCNTs-3熱管理膜的重塑和回收照片。

審核編輯：湯梓紅