氮化硼高度垂直排列取向的橡膠基高性能導(dǎo)熱復(fù)合材料

隨著電子設(shè)備的集成化和大功率化，散熱問(wèn)題成為制約其發(fā)展的瓶頸。為了保證電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，迫切需要一種高性能的熱界面材料(TIM)，其通用厚度約為0.05 ~ 5.00 mm，廣泛應(yīng)用于電子元件與散熱器之間的間隙。對(duì)于電子元件產(chǎn)生的熱量向散熱器的正傳遞，TIM應(yīng)該具有高的面外導(dǎo)熱系數(shù)(λ⊥)。

六方氮化硼(BN)作為導(dǎo)熱填料在TIM中得到了廣泛的關(guān)注，因?yàn)樗哂泻芨叩膶?dǎo)熱性和電絕緣性，特別是單個(gè)BN微板的400 W/mK面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)(λ∥)為了充分利用BN的優(yōu)秀面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)，二維填料的垂直排列方法得到人們的關(guān)注，但與平行取向片狀填料相比，通常需要更復(fù)雜的工藝或特殊的設(shè)備。

目前，制造垂直取向的主流方法是冷凍鑄造和在填料表面植入磁性納米顆粒后進(jìn)行垂直磁感應(yīng)。最近，文獻(xiàn)報(bào)道了一種新的堆焊方法，具有操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，可以以類似于“放置積木”的方式有效地構(gòu)建所需的微觀結(jié)構(gòu)。得益于這種簡(jiǎn)單的方法，一些有效的平行定向技術(shù)已開始用于制造片狀填料的垂直排列，如雙輥剪切和帶式鑄造。在所有的取向技術(shù)中，熱壓工藝是操作最簡(jiǎn)單，應(yīng)用最廣泛，成型規(guī)模最大，尤其是取向效果最好的。但是，這種定向技術(shù)尚未報(bào)道用于建造垂直排列結(jié)構(gòu)。

為了利用BN中高效的面內(nèi)熱傳導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)TIMs的高面外導(dǎo)熱系數(shù)，BN填充材料中的熱壓工藝和堆疊焊接方法的合作對(duì)于垂直排列的納米模擬結(jié)構(gòu)可能是可行的。堆焊過(guò)程中，對(duì)熱壓薄膜的性能要求是具有較高的可焊性和高溫下的形狀穩(wěn)定性。然而，熱壓薄膜同時(shí)具有這兩種特性是具有挑戰(zhàn)性的。將動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵集成到化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中以制造聚合物基體，提供了一種在高溫下苛刻的可焊性和形狀穩(wěn)定性之間取得平衡的方法。

2 成果掠影

近期，北京化工大學(xué)先進(jìn)彈性體中心盧詠來(lái)教授和李京超老師在TIMs的設(shè)計(jì)和制備取得了一種新的進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種結(jié)合熱壓取向和堆焊工藝的新方法，該方法基于動(dòng)態(tài)硼酸酯鍵交聯(lián)的聚丁二烯(BR)橡膠基體，并通過(guò)熱壓法實(shí)現(xiàn)了BN的高度取向。由于動(dòng)態(tài)交聯(lián)BR的重排機(jī)制及其優(yōu)異的可再加工性，成功完成了后續(xù)的焊接工藝，制備出高垂直排列的BN/BR復(fù)合材料（VAC）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通過(guò)掃描電鏡和小角度X射線驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的VAC具有強(qiáng)取向的微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果，當(dāng)BN含量為52 vol %時(shí)，VAC達(dá)到了前所未有的面外導(dǎo)熱系數(shù)(14.1 W/mK)，并且與商業(yè)TIM相比，芯片運(yùn)行溫度大大降低。除了優(yōu)異的導(dǎo)熱性外，BN/BR復(fù)合材料還具有優(yōu)異的電絕緣性和阻燃性。該仿生復(fù)合材料的簡(jiǎn)單制備和可擴(kuò)展性為高性能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和制備開辟了新的道路。研究成果以“Vitrimer-Assisted Construction of Boron Nitride Vertically Aligned Nacre-mimetic Composites for Highly Thermally Conductive Thermal Interface Materials ”為題發(fā)表于《Chemistry of Materials》。