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    北化大盧詠來教授團隊:在輕質、導熱、電絕緣硅膠復合材料制備取得進展
    2020-05-21  來源:高分子科技

      隨著電子設備不斷向高功耗、微型化、集成性發展,其能量密度大幅提高,隨之帶來越來越嚴峻的散熱問題;失效的熱管理將導致設備卡頓、電路破壞,埋下安全隱患。設計制備高性能散熱材料保障電子元器件可靠運行已經成為未來電子技術發展的主要瓶頸之一。熱界面材料(TIM)是電子封裝中極為關鍵的組成部分,一般設置在IC芯片和散熱器之間,以消除間隙空氣,提高此接觸界面的傳熱效率。橡膠得益于獨特的彈性和柔順性,是優良的TIM復合材料基體。然而,傳統方法依賴于高份數導熱填料的填充,加工性差,且不利于材料的質輕、減重。近年來,大量研究表明在基體中構筑三維導熱網絡可實現高的熱導率提升效率。北京化工大學盧詠來教授團隊長期致力導熱橡膠復合材料相關研究,前期工作中創新性的將氧化石墨烯(GO)凝膠化特性與傳統乳膠共混法相結合構筑三維導熱網絡,得到了具有高導熱、高力學性能的天然橡膠復合材料(Carbon 162 (2020) 46-55;Composites Science and Technology 186 (2020) 107930)。但該方法適用于橡膠膠乳形式的基體,且GO的存在不利于材料的電絕緣特性。事實上,目前仍有待開發具有良好普適性及工藝可行性的導熱網絡構筑方法。


      基于上述問題,北京化工大學盧詠來教授團隊開展了采用水相泡沫模板法構筑三維導熱網絡的研究。受“果凍”制造的啟發,創新性的引入一種可食用凝膠多糖(又名可得然膠,英文名:Curdlan)作為凝膠劑,巧妙利用其獨特的高溫不可逆凝膠化特性,固定發泡液中的氮化硼(BN)網絡,所得水凝膠可直接熱空氣干燥得到3D BN氣凝膠導熱網絡;最后真空浸漬硅橡膠得到3D BN-PDMS復合材料。該橡膠復合材料在低BN含量(25.4 wt%)下熱導率達到1.58 W/(m·K),遠優于無規分布對比樣品;且相比國內外市售同導熱率硅膠墊產品,其密度要低40%-50%。同時,該材料仍保持高的絕緣性。該方法簡單、高效、無毒、環保且普適性強,所得導熱電絕緣硅橡膠復合材料在電子設備熱管理領域展現出良好的應用前景。


    圖1 3D BN-PDMS復合材料整體制備過程示意圖


    圖2(a)發泡液的光學顯微照片;(b&c)“果凍”狀水凝膠干燥前后的圖片;(d&g)低、(e&h)中、(f&i)高氮化硼含量的3D BN氣凝膠的掃描電鏡照片


    圖3 不同氮化硼含量(a)8.4wt%,(b)25.4wt%的3D BN-PDMS復合材料的三維X射線斷層掃描圖


    圖4 3D BN-PDMS復合材料的(a)熱導率和(b)體積電阻


      該成果以“Jelly-inspired Construction of 3D Interconnected BN Network for Lightweight, Thermally Conductive, and Electrically Insulating Rubber Composites”為題發表在ACS Applied Electronic Materials期刊上。論文第一作者為北京化工大學博士生李京超,通訊作者為北京化工大學盧詠來教授,共同通訊作者為北京化工大學博士后李凡珠。該工作得到裝備預研教育部聯合基金項目的支持。


      論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsaelm.0c00227

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