自组装法制备高导热氮化硼复合材料

来源|Polymer

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背景介绍

随着集成电路芯片和电子设备小型化的快速发展，为防止芯片的热失控，对热管理材料提出了更严格的要求。此外，电子封装材料经常会遇到应力破坏和漏电等严重问题。因此同时具有出色的电绝缘性和导热性的热界面材料成为了重点的研究方向。

然而，导热系数的提高受到填料的含量和结构的限制。此外，当填充量高时，由于界面相互作用弱和应力集中，复合材料的力学性能往往不理想。高填充量与高强度往往是相互矛盾的，这是复合材料机械加固的经典问题。

为了解决这个问题，研究人员采用不同的方法，如逐层组装、模板定向组装、机械辅助压制和磁场辅助等广泛发展用于制备纳米复合材料。但由于效率低和路线复杂，这些策略无法实现大规模连续制备，这在实际应用中是非常不可取的。

二维BN具有较高的理论导热系数和优异的绝缘性能，是开发高导热拟纳米复合材料的合适候选填料。但是，由于高惯性和相对较大的厚度，h-BN在溶液中直接自组装的报道很少。因此，研究h-BN的诱导取向对于实现功能复合材料的规模化制备具有重要意义。

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成果掠影

近期，华东理工大学材料科学与工程学院的张玲教授在开发一种适合规模化热界面材料制备技术方向取得新的进展。该团队受天然珍珠特殊结构和功能的启发，通过绿色、简单的蒸发诱导组装技术，可以大规模制备具有优异导热系数、高绝缘性和坚固力学性能的纳米级CS/BNNS薄膜。

值得注意的是，CS/BNNS薄膜在70 wt%时的拉伸强度高达104.5 MPa, 导热系数为26.3 W/(m·K)，这是由于其取向良好的结构和强的界面相互作用。CS/BNNS复合薄膜作为一种热界面材料，在LED模组中表现出较强的散热能力，在电子器件散热方面具有广阔的应用前景这种构造具有定向结构的仿珍珠复合薄膜的方法在新型便携式电子设备的散热方面具有潜在的应用前景。

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

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图文导读

图1.(a)机械化学球磨剥离的BNNS示意图，(b) h-BN的SEM图像，(c)剥离后BNNS的SEM， (d) TEM， (e) HR-TEM形态学图像，(e)SAED谱图。(f, g) AFM图像及相应的BNNS高度和横向尺寸，(h)h- BN和剥离BNNS的XRD谱图。(i) h-BN和BNNS在去离子水中分散36h的照片。

图2.(a) FTIR谱图， (b) TGA 曲线, XPS 图的h-BN和BNNS (c) B 1s和(d) N 1s。

图3.(a) CS/BNNS膜的静电吸附方法，(b) CS/BNNS照片，(c) CS/BNNS复合材料TGA分析，(d) CS/BNNS-30、(e) CS/BNNS-50和(f) CS/BNNS-70断口表面SEM图像。(g) x射线入射方向示意图，顶部(h)和截面(i)表面x射线入射方向的XRD结果。

图4.(a)应力-应变曲线，(b)不同填料含量CS/BNNS和CS/h-BN的抗拉强度。(c) CS/BNNS70薄膜提起重量(2kg)的图像，并显示其可弯曲性。(d) CS/BNNS-70复合材料拉伸断裂截面的SEM图。(e)层状结构裂缝增强机理示意图。

图5.(a)面内热导率和(b)面外热导率与填料含量的关系。(c)模拟珍珠膜的热导率各向异性因子。(d)不同温度下的面内热导率表现出较好的复合材料稳定性。(e)本文的热导率和前人关于含BNNS或h-BN的聚合物复合材料的研究。(f)不同BN分布下的声子转移模式方案。(g)有限元模拟热传导图。

图6.(a)由铜散热器和TIM组成的LED散热模块。(b) LED芯片表面温度随运行时间的变化曲线。(c)对应的红外图像。