近年來，集成電路和高功率器件的有效散熱已經(jīng)成為制約其發(fā)展的主要因素，特別是隨著尖端電子產(chǎn)品多功能化和小型化趨勢的快速發(fā)展，高熱導(dǎo)率已經(jīng)不再是先進熱管理材料的唯一需求，優(yōu)異的電絕緣和機械性能等也應(yīng)予以重點考慮。聚合物材料電絕緣性能好，機械強度高，廣泛應(yīng)用于電子封裝領(lǐng)域，但其本征熱導(dǎo)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，主要通過在聚合物基體中加入絕緣的高導(dǎo)熱填料(如Al2O3、AlN和h-BN等)來提高聚合物基體的熱導(dǎo)率，并保留乃至增強其電絕緣性能。前期研究表明，石墨烯相較于塊體石墨而言，性能更加優(yōu)越，是理想的導(dǎo)熱增強填料，但其導(dǎo)電的特性無法滿足電子封裝對電絕緣性能的要求。所以，通過剝離h-BN塊材制備得到的兼具高面內(nèi)熱導(dǎo)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，又稱“白色石墨烯”)日益受到關(guān)注。為了充分利用BNNS的本征高熱導(dǎo)來提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，研究者們主要將目光集中在BNNS導(dǎo)熱逾滲網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)筑和BNNS/聚合物基體之間的表/界面修飾上，而對BNNS的長徑比(定義為橫向尺寸除以厚度)對復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響卻涉獵不多。相關(guān)研究表明，提高石墨烯長寬比對石墨烯基復(fù)合材料的導(dǎo)熱增強有積極作用。因此，大長徑比的BNNS或許能夠成為提高氮化硼基導(dǎo)熱復(fù)合材料熱導(dǎo)率的新途徑。
近日，中科院寧波材料所林正得研究員、湖南大學(xué)陳鼎教授、中科院深圳先研院魯濟豹副研究員(共同通訊作者)人開發(fā)了一種基于微射流技術(shù)剝離制備BNNS的方法，該方法產(chǎn)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)基體通過抽濾制備的復(fù)合薄膜，在BNNS含量為83 wt％時，平面內(nèi)熱導(dǎo)率可達67.6 W m-1 K-1，相較于基體熱導(dǎo)率提高了≈ 355倍，每1 wt% BNNS對熱導(dǎo)率的提高幅度更是達到了極高的427%，并兼具優(yōu)良的力學(xué)和電學(xué)性能。該復(fù)合薄膜作為勻熱膜使用時，相較于柔性覆銅板，具有更優(yōu)越的散熱性能。上述成果為現(xiàn)代電子設(shè)備的熱管理材料開發(fā)提供了新的思路，并以題為“Ultrahigh-Aspect-Ratio Boron Nitride Nanosheets Leading to Superhigh In-Plane Thermal Conductivity of Foldable Heat Spreader”發(fā)表在了ACS Nano上。
圖1 BNNS的形貌和結(jié)構(gòu)表征
(a)微射流工藝過程及其(b)批量化制備展示。125 MPa壓力下制備的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
不同施加壓力下制備的BNNS的(a–d) SEM及(e–h) AFM圖像。(i) 75 MPa施加壓力下制備的BNNS的橫向尺寸和(j)厚度分布統(tǒng)計。(k) BNNS的縱橫比和及(l)產(chǎn)率與施加壓力之間的關(guān)系。
圖3 BNNS/PVA復(fù)合薄膜的制備與表征
(a)抽濾制備BNNS/PVA復(fù)合薄膜的過程示意圖。(b)復(fù)合薄膜實物照片及其(c) TGA曲線。83 wt%含量下(d) BNNS-1000/PVA和(e–g) BNNS-1500/PVA的表面和橫截面SEM圖像。
圖4 BNNS/PVA復(fù)合薄膜的熱學(xué)性能
復(fù)合薄膜的(a)面內(nèi)熱擴散系數(shù)和(b)熱導(dǎo)率與BNNS長徑比及含量之間的關(guān)系。(c) BNNS-1500/PVA (83 wt%)的冷熱循環(huán)測試(d)樣品與文獻中報道的氮化硼基復(fù)合材料的比TCE值比較，以及(e)上述復(fù)合材料所使用的填料長徑比對比。(f)大長徑比BNNS聲子傳輸優(yōu)勢的機理解釋及(g)基于有限元分析的大小長徑比BNNS傳熱能力的對比。
圖5 BNNS-1500/PVA復(fù)合薄膜的力學(xué)性能
83 wt%含量下BNNS-1500/PVA復(fù)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(huán)彎曲試驗及其相應(yīng)的(e)形貌和(f)面內(nèi)導(dǎo)熱率變化。
圖6 復(fù)合薄膜的實際散熱測試
(a) PVA、FCCL和本樣品的實物照片。(b)實際散熱測試的實驗系統(tǒng)設(shè)置。(c)使用不同薄膜作為勻熱膜時LED芯片的中心溫度隨運行時間的變化，及其(d)相應(yīng)的IR圖像。
本文開發(fā)了一種簡單的微射流剝離氮化硼技術(shù)，該技術(shù)產(chǎn)率高(70 – 76%)，效率好，所得的BNNS的平均橫向尺寸為4.65 μm，平均厚度為3.1 nm，長徑比高達1500。當(dāng)這種BNNS作為聚合物基體中的導(dǎo)熱增強填料使用時，相較于小長徑比的BNNS而言，其平均分子自由程更長、接觸面積更大、界面更少，從而使界面接觸熱阻降低了一半，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率提高了33%。在83 wt %的含量下，復(fù)合薄膜的面內(nèi)熱導(dǎo)率為67.6 W m-1 K-1，相較于基體提高了≈ 355倍，每1 wt% BNNS對熱導(dǎo)率的提高幅度達到了極高的427%。憑借超高的面內(nèi)熱導(dǎo)率、優(yōu)異的機械強度和電絕緣性，該復(fù)合薄膜在電子制冷領(lǐng)域的散熱應(yīng)用前景廣闊，并表現(xiàn)出比商用撓性覆銅板更好的散熱性能，為新一代高導(dǎo)熱絕緣熱管理材料的開發(fā)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)
本文由木文韜翻譯。