自組裝法制備高導(dǎo)熱氮化硼復(fù)合材料

來(lái)源|Polymer

01

背景介紹

隨著集成電路芯片和電子設(shè)備小型化的快速發(fā)展，為防止芯片的熱失控，對(duì)熱管理材料提出了更嚴(yán)格的要求。此外，電子封裝材料經(jīng)常會(huì)遇到應(yīng)力破壞和漏電等嚴(yán)重問(wèn)題。因此同時(shí)具有出色的電絕緣性和導(dǎo)熱性的熱界面材料成為了重點(diǎn)的研究方向。

然而，導(dǎo)熱系數(shù)的提高受到填料的含量和結(jié)構(gòu)的限制。此外，當(dāng)填充量高時(shí)，由于界面相互作用弱和應(yīng)力集中，復(fù)合材料的力學(xué)性能往往不理想。高填充量與高強(qiáng)度往往是相互矛盾的，這是復(fù)合材料機(jī)械加固的經(jīng)典問(wèn)題。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員采用不同的方法，如逐層組裝、模板定向組裝、機(jī)械輔助壓制和磁場(chǎng)輔助等廣泛發(fā)展用于制備納米復(fù)合材料。但由于效率低和路線復(fù)雜，這些策略無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)制備，這在實(shí)際應(yīng)用中是非常不可取的。

二維BN具有較高的理論導(dǎo)熱系數(shù)和優(yōu)異的絕緣性能，是開(kāi)發(fā)高導(dǎo)熱擬納米復(fù)合材料的合適候選填料。但是，由于高慣性和相對(duì)較大的厚度，h-BN在溶液中直接自組裝的報(bào)道很少。因此，研究h-BN的誘導(dǎo)取向?qū)τ趯?shí)現(xiàn)功能復(fù)合材料的規(guī)?；苽渚哂兄匾饬x。

02

成果掠影

近期，華東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的張玲教授在開(kāi)發(fā)一種適合規(guī)?；療峤缑娌牧现苽浼夹g(shù)方向取得新的進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)受天然珍珠特殊結(jié)構(gòu)和功能的啟發(fā)，通過(guò)綠色、簡(jiǎn)單的蒸發(fā)誘導(dǎo)組裝技術(shù)，可以大規(guī)模制備具有優(yōu)異導(dǎo)熱系數(shù)、高絕緣性和堅(jiān)固力學(xué)性能的納米級(jí)CS/BNNS薄膜。

值得注意的是，CS/BNNS薄膜在70 wt%時(shí)的拉伸強(qiáng)度高達(dá)104.5 MPa, 導(dǎo)熱系數(shù)為26.3 W/(m·K)，這是由于其取向良好的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)的界面相互作用。CS/BNNS復(fù)合薄膜作為一種熱界面材料，在LED模組中表現(xiàn)出較強(qiáng)的散熱能力，在電子器件散熱方面具有廣闊的應(yīng)用前景這種構(gòu)造具有定向結(jié)構(gòu)的仿珍珠復(fù)合薄膜的方法在新型便攜式電子設(shè)備的散熱方面具有潛在的應(yīng)用前景。

研究成果以“Superior thermally conductive, mechanically strong and electrically insulating nacremimetic chitosan/boron nitride nanosheet composite via evaporation-induced selfassembly method”為題發(fā)表于《Polymer》。

03

圖文導(dǎo)讀

圖1.(a)機(jī)械化學(xué)球磨剝離的BNNS示意圖，(b) h-BN的SEM圖像，(c)剝離后BNNS的SEM， (d) TEM， (e) HR-TEM形態(tài)學(xué)圖像，(e)SAED譜圖。(f, g) AFM圖像及相應(yīng)的BNNS高度和橫向尺寸，(h)h- BN和剝離BNNS的XRD譜圖。(i) h-BN和BNNS在去離子水中分散36h的照片。

圖2.(a) FTIR譜圖， (b) TGA 曲線, XPS 圖的h-BN和BNNS (c) B 1s和(d) N 1s。

圖3.(a) CS/BNNS膜的靜電吸附方法，(b) CS/BNNS照片，(c) CS/BNNS復(fù)合材料TGA分析，(d) CS/BNNS-30、(e) CS/BNNS-50和(f) CS/BNNS-70斷口表面SEM圖像。(g) x射線入射方向示意圖，頂部(h)和截面(i)表面x射線入射方向的XRD結(jié)果。

圖4.(a)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，(b)不同填料含量CS/BNNS和CS/h-BN的抗拉強(qiáng)度。(c) CS/BNNS70薄膜提起重量(2kg)的圖像，并顯示其可彎曲性。(d) CS/BNNS-70復(fù)合材料拉伸斷裂截面的SEM圖。(e)層狀結(jié)構(gòu)裂縫增強(qiáng)機(jī)理示意圖。

圖5.(a)面內(nèi)熱導(dǎo)率和(b)面外熱導(dǎo)率與填料含量的關(guān)系。(c)模擬珍珠膜的熱導(dǎo)率各向異性因子。(d)不同溫度下的面內(nèi)熱導(dǎo)率表現(xiàn)出較好的復(fù)合材料穩(wěn)定性。(e)本文的熱導(dǎo)率和前人關(guān)于含BNNS或h-BN的聚合物復(fù)合材料的研究。(f)不同BN分布下的聲子轉(zhuǎn)移模式方案。(g)有限元模擬熱傳導(dǎo)圖。

圖6.(a)由銅散熱器和TIM組成的LED散熱模塊。(b) LED芯片表面溫度隨運(yùn)行時(shí)間的變化曲線。(c)對(duì)應(yīng)的紅外圖像。