近年來，集成電(diàn)路和高功率器件的有效散熱已經成爲制約其發展的主要因素，特别是随着尖端電(diàn)子産品多功能化和小(xiǎo)型化趨勢的快速發展，高熱導率已經不再是先進熱管理材料的唯一(yī)需求，優異的電(diàn)絕緣和機械性能等也應予以重點考慮。聚合物(wù)材料電(diàn)絕緣性能好，機械強度高，廣泛應用于電(diàn)子封裝領域，但其本征熱導率很低(0.1 – 0.5 W m-1 K-1)，難以滿足日益增長的散熱需求。目前，主要通過在聚合物(wù)基體(tǐ)中(zhōng)加入絕緣的高導熱填料(如Al2O3、AlN和h-BN等)來提高聚合物(wù)基體(tǐ)的熱導率，并保留乃至增強其電(diàn)絕緣性能。前期研究表明，石墨烯相較于塊體(tǐ)石墨而言，性能更加優越，是理想的導熱增強填料，但其導電(diàn)的特性無法滿足電(diàn)子封裝對電(diàn)絕緣性能的要求。所以，通過剝離(lí)h-BN塊材制備得到的兼具高面内熱導率(理論上可達1700 – 2000 W m-1 K-1)和高擊穿強度(≈ 35 kV mm-1)的六方氮化硼納米片(BNNS，又(yòu)稱“白(bái)色石墨烯”)日益受到關注。爲了充分(fēn)利用BNNS的本征高熱導來提高複合材料的導熱性能，研究者們主要将目光集中(zhōng)在BNNS導熱逾滲網絡的構築和BNNS/聚合物(wù)基體(tǐ)之間的表/界面修飾上，而對BNNS的長徑比(定義爲橫向尺寸除以厚度)對複合材料導熱性能的影響卻涉獵不多。相關研究表明，提高石墨烯長寬比對石墨烯基複合材料的導熱增強有積極作用。因此，大(dà)長徑比的BNNS或許能夠成爲提高氮化硼基導熱複合材料熱導率的新途徑。
近日，中(zhōng)科院甯波材料所林正得研究員(yuán)、湖南(nán)大(dà)學陳鼎教授、中(zhōng)科院深圳先研院魯濟豹副研究員(yuán)(共同通訊作者)人開(kāi)發了一(yī)種基于微射流技術剝離(lí)制備BNNS的方法，該方法産率高(70 – 76%)，效率好，所得的BNNS長徑比高達≈ 1500。由這種BNNS和聚乙烯醇(PVA)基體(tǐ)通過抽濾制備的複合薄膜，在BNNS含量爲83 wt％時，平面内熱導率可達67.6 W m-1 K-1，相較于基體(tǐ)熱導率提高了≈ 355倍，每1 wt% BNNS對熱導率的提高幅度更是達到了極高的427%，并兼具優良的力學和電(diàn)學性能。該複合薄膜作爲勻熱膜使用時，相較于柔性覆銅闆，具有更優越的散熱性能。上述成果爲現代電(diàn)子設備的熱管理材料開(kāi)發提供了新的思路，并以題爲“Ultrahigh-Aspect-Ratio Boron Nitride Nanosheets Leading to Superhigh In-Plane Thermal Conductivity of Foldable Heat Spreader”發表在了ACS Nano上。
圖1 BNNS的形貌和結構表征
(a)微射流工(gōng)藝過程及其(b)批量化制備展示。125 MPa壓力下(xià)制備的BNNS的(c) AFM、(d) TEM和(e) HR-TEM圖像。h-BN和BNNS(f)拉曼光譜、(g) XRD、(h) FTIR、高分(fēn)辨率(i) B1s和(j) N1s XPS光譜的對比。
圖2 施加壓力對BNNS長徑比的影響
不同施加壓力下(xià)制備的BNNS的(a–d) SEM及(e–h) AFM圖像。(i) 75 MPa施加壓力下(xià)制備的BNNS的橫向尺寸和(j)厚度分(fēn)布統計。(k) BNNS的縱橫比和及(l)産率與施加壓力之間的關系。
圖3 BNNS/PVA複合薄膜的制備與表征
(a)抽濾制備BNNS/PVA複合薄膜的過程示意圖。(b)複合薄膜實物(wù)照片及其(c) TGA曲線。83 wt%含量下(xià)(d) BNNS-1000/PVA和(e–g) BNNS-1500/PVA的表面和橫截面SEM圖像。
圖4 BNNS/PVA複合薄膜的熱學性能
複合薄膜的(a)面内熱擴散系數和(b)熱導率與BNNS長徑比及含量之間的關系。(c) BNNS-1500/PVA (83 wt%)的冷熱循環測試(d)樣品與文獻中(zhōng)報道的氮化硼基複合材料的比TCE值比較，以及(e)上述複合材料所使用的填料長徑比對比。(f)大(dà)長徑比BNNS聲子傳輸優勢的機理解釋及(g)基于有限元分(fēn)析的大(dà)小(xiǎo)長徑比BNNS傳熱能力的對比。
圖5 BNNS-1500/PVA複合薄膜的力學性能
83 wt%含量下(xià)BNNS-1500/PVA複合薄膜具有(a)良好的機械強度和(b)高度可折疊性，(c)易于裁切成型。(d)循環彎曲試驗及其相應的(e)形貌和(f)面内導熱率變化。
圖6 複合薄膜的實際散熱測試
(a) PVA、FCCL和本樣品的實物(wù)照片。(b)實際散熱測試的實驗系統設置。(c)使用不同薄膜作爲勻熱膜時LED芯片的中(zhōng)心溫度随運行時間的變化，及其(d)相應的IR圖像。
本文開(kāi)發了一(yī)種簡單的微射流剝離(lí)氮化硼技術，該技術産率高(70 – 76%)，效率好，所得的BNNS的平均橫向尺寸爲4.65 μm，平均厚度爲3.1 nm，長徑比高達1500。當這種BNNS作爲聚合物(wù)基體(tǐ)中(zhōng)的導熱增強填料使用時，相較于小(xiǎo)長徑比的BNNS而言，其平均分(fēn)子自由程更長、接觸面積更大(dà)、界面更少，從而使界面接觸熱阻降低了一(yī)半，複合材料的熱導率提高了33%。在83 wt %的含量下(xià)，複合薄膜的面内熱導率爲67.6 W m-1 K-1，相較于基體(tǐ)提高了≈ 355倍，每1 wt% BNNS對熱導率的提高幅度達到了極高的427%。憑借超高的面内熱導率、優異的機械強度和電(diàn)絕緣性，該複合薄膜在電(diàn)子制冷領域的散熱應用前景廣闊，并表現出比商(shāng)用撓性覆銅闆更好的散熱性能，爲新一(yī)代高導熱絕緣熱管理材料的開(kāi)發提供了新思路。
文獻鏈接：
Ultrahigh-Aspect-Ratio Boron Nitride Nanosheets Leading to Superhigh In-Plane Thermal Conductivity of Foldable Heat Spreader(ACS Nano, 2021, DOI: 10.1021/acsnano.0c09229)
本文由木文韬翻譯。