摘要：下一代高功率密度电子设备的热管理材料发展滞后，已成为瓶颈问题。尽管第二相增强复合材料有望解决热管理问题，但界面处严重的声子散射导致实际热导率增强效率远低于预期。文章报道了一种具有巢状互连氮化硼骨架的高性能聚合物复合材料。这种巢状互连 BN 骨架无需机械接触即可
摘要：下一代高功率密度电子设备的热管理材料发展滞后，已成为瓶颈问题。尽管第二相增强复合材料有望解决热管理问题，但界面处严重的声子散射导致实际热导率增强效率远低于预期。文章报道了一种具有巢状互连氮化硼骨架的高性能聚合物复合材料。这种巢状互连 BN 骨架无需机械接触即可提供高效且长距离的声子传输通道，在聚合物复合材料中实现超高热导率 (1.827 W m−1 K−1)，其填充量极低 (4.7 vol%)。同时，EP/nest-like BS 复合材料具有理想的电性能和尺寸稳定性。在实际的 LED 芯片散热过程中，最优复合材料作为热界面材料与纯环氧树脂相比，温度降低了 34.8 % 以上。
一、引言
随着半导体技术的发展，电子设备正朝着高集成度和小型化方向发展。然而，高功率电子设备在运行过程中会产生大量焦耳热，对先进的热管理技术提出了更高的要求。聚合物材料因其优异的电绝缘性、轻质、低成本和可加工性而被广泛应用于现代电子工业。然而，聚合物固有的导热系数极低，通常低于0.3 W m−1 K−1，无法满足下一代电子设备的热管理需求。为了解决聚合物材料导热系数低的问题，研究人员提出了构建聚合物复合材料的方法，将聚合物基体和导热相的优势相结合。然而，传统的复合材料结构通常是随机分散的，填料之间没有直接接触，难以形成连续的热通路，导致实际导热系数的提升效率远低于预期。此外，填料与基体界面处的严重声子散射效应也会阻碍热传递。
近日，《Composites Science and Technology》期刊发表了一篇由华南理工大学电力学院的研究团队完成的有关环形互连氮化硼骨架赋能高性能聚合物复合材料的研究成果。该研究利用自组装巢式互连氮化硼骨架构建高性能聚合物复合材料，有效提升其导热系数，为电子设备热管理提供了一种新型解决方案。论文标题为“Self-assembled nest-like BN skeletons enable polymer composites with high thermal management capacity”。
二、研究内容
为了设计高性能聚合物复合材料，该研究采用了以下研究方法：首先，通过硼酸和三聚氰胺的氢键作用，在不同组装温度下制备前驱体气凝胶；其次，将前驱体气凝胶在保护气氛下进行热转换，获得共价键合的巢式互连氮化硼骨架；然后，将氮化硼骨架浸渍在环氧树脂基体溶液中，并通过真空浸渍和固化工艺制备环氧树脂/氮化硼复合材料；最后，对环氧树脂/氮化硼复合材料的导热系数、尺寸稳定性、电气性能等进行测试和表征，以评估其性能。
图1 （a） 前驱体气凝胶的合成和EP/BS复合材料的制备方案；（b） 不同环境温度下前体组装过程示意图。
图2 （a）前驱体气凝胶和（b）BN骨架的SEM图像；（c） 单个BN骨架的TEM图像；（d） 热转化处理过程中的机理；
该研究表明，通过氢键自组装和热转换制备的巢式互连氮化硼骨架结构具有优异的导热性能。研究发现，组装温度对前驱体气凝胶的微观结构有显著影响，组装温度越高，骨架结构越致密，骨架直径越大。
图3 （a） 复合材料的导热系数；（b） BN基复合材料增强效率的比较；（c） 激光烧灼后EP/RTBS的SEM图像；
热转换后，前驱体气凝胶转变为共价键合的巢式互连氮化硼骨架，具有柱状结构和丰富的孔洞。在仅4.7 vol%的低填料含量下，环氧树脂/氮化硼复合材料的导热系数达到1.827 W m−1 K−1，比纯环氧树脂高761.8%。
图4 （a） 模拟不同结构复合材料的温度分布；（b） 沿中性轴的温度分布；（c） 更细和更厚骨架的等温表面。
此外，环氧树脂/氮化硼复合材料还表现出良好的尺寸稳定性，具有较高的玻璃化转变温度和拉伸模量，适用于高温环境。同时，该复合材料还保持了优异的电气绝缘性能，具有较低的电阻率和介电损耗。
图5 （a） 示意图和（b）试验台的实物图像；（c） 红外图像和（d）芯片通电和断电后的温度记录
三、小结
该研究提出了一种利用巢式互连氮化硼骨架构建高性能聚合物复合材料的新策略，有效解决了传统复合材料导热系数低的问题。该复合材料具有高导热系数、良好的尺寸稳定性和优异的电气性能，在电子设备热管理领域具有广阔的应用前景。
原始文献：
Jiangang Zhou, Congzhen Xie, Huasong Xu, Bin Gou, An Zhong, Daoming Zhang, Hangchuan Cai, Chunhui Bi, Licheng Li, Rui Wang. Self-assembled nest-like BN skeletons enable polymer composites with high thermal management capacity. Composites Science and Technology, 258 (2024) 110869.
原文链接：
责任编辑：复小可
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来源：白公子来了