ACS Nano：用于提高热管理能力的高导热且电绝缘的聚合物/氮化硼纳米片纳米复合薄膜

【引言】

由于其多功能性和易加工性，现代电气系统和电子设备的热管理应用迫切需要导热但电绝缘的聚合物复合材料。然而，增强聚合物复合材料的导热性通常以轻质损失、柔韧性和电绝缘性的劣化为代价。本文报告了含有定向氮化硼纳米片（BNNS）的先进聚合物纳米复合材料，其表现出高导热性，优异的电绝缘性和出色的柔韧性。这些纳米复合薄膜可以通过静电纺丝聚合物/BNNS纳米复合纤维，垂直折叠电纺纳米复合纤维，经压制而构建。纳米复合薄膜在33wt％BNNS负载量时具有超高的面内导热系数。此外，与原始聚合物相比，纳米复合膜具有优异的电绝缘性能，例如低的介电损耗，较高的电阻率和击穿强度。在电源器件中证明了纳米复合薄膜的强大热管理能力，这表明了管理高功率密度电子设备的热平面内高导热性的重要性。

【成果简介】

导热且电绝缘的聚合物材料已广泛应用于发光二极管（LED）、集成电子器件、能量存储和转换系统，军事武器和航空航天工业中，以实现适当的热管理。随着电气系统和电子设备的快速性能演进，传统的聚合物复合材料不能满足热管理的高要求。因为聚合物材料虽具有优异的电绝缘性能，灵活性和设计自由度，但低固有导热率限制了它们在热管理中的适用性。因此，结合聚合物的优点和填料的高导热性的复合材料被认为是理想的解决方案。其中，六方氮化硼纳米片（BNNS）由于具有超高导热性，宽带隙（约5.9 eV）和高纵横比2D形态，是有前途的导热填料。

近期，来自上海交通大学的上海交通大学江平开教授团队在ACS Nano上发表了一篇题为“Highly Thermally Conductive Yet Electrically Insulating Polymer/Boron Nitride Nanosheets Nanocomposite Films for Improved Thermal Management Capability”的文章。本文报告使用静电纺丝，经过简单折叠和热压，制备出高导热但电绝缘的热塑性聚合物基BNNS纳米复合薄膜，具有简单性和适应性以用于商业生产。聚偏二氟乙烯（PVDF）用作基体，BNNSs沿聚合物薄膜的面内方向取向和相互连接，使PVDF / BNNS纳米复合薄膜在33wt％BNNS负载量时具有超高的面内导热系数16.3 W/（m·K）。此外，纳米复合膜具有比原始PVDF更好的电绝缘性能。通过实验和模拟，证明了这种纳米复合薄膜在电源热管理中的潜在应用。

【图文导读】

图1 PVDF / BNNS纳米复合薄膜的制备方案

图2  纤维和纳米复合材料薄膜的微观结构或形态图

a）PVDF纤维的SEM图像;

具有20wt％（b）和33wt％（c）BNNS的纳米复合纤维的SEM图像;

（d，e）具有33wt％BNNS的纳米复合纤维的TEM图像，d）中的插图是互连和线性排序的BNNS的模拟形态；

具有33wt％（f）和20wt％（g）BNNS的垂直折叠的纳米复合纤维的SEM图像;

具有33wt％BNNS的纳米复合膜的SEM图像（h）和照片（i）。

图3 具有互连取向BNNS的纳米复合材料和具有随机分散的BNNS的纳米复合材料的面内（=）和穿透面（⊥）热导率

（a）纳米复合材料在25℃时的面内（K =）和穿透面（K⊥）导热率;

（b）复合薄膜中的热流面内转移图；

（c）导热性复合薄膜的各向异性因子；

（d）厚度依赖于PVDF / BNNS复合材料的面内导热率；

（e）关于BNNS或BN基聚合物复合材料，本文工作和其他代表性出版工作的导热系数比较。

图4纳米复合材料的电绝缘性

（a）纳米复合材料的体积电阻率；

（b）不同纳米复合材料的击穿强度的威布尔图；

（c）不同纳米复合材料的频率依赖性介电损耗角正切；

（d）具有33wt％BNNS的纳米复合材料的DSC加热曲线。

图5 纳米复合薄膜在冷却MOSFET中的应用

（a）与热界面材料集成的MOSFET的光学照片；

（b）与不同热界面材料集成的MOSFET的红外热图像；

（c）与热界面材料集成的MOSFET的示意图；

（d）表面温度 MOSFET的变化与时间的关系。

图6 BNNS的纳米复合膜的温度的建模和计算

（a）具有取向BNNS的纳米复合膜的温度的建模和计算；

（b）MOSFET上方的硅树脂垫（MOSFET的温度设定为90℃）。

【小结】

本文通过三个步骤（静电纺丝，垂直折叠和随后的模压成型）制造填充有BNNS的高导热但电绝缘的聚合物纳米复合膜。纳米复合材料不仅在相对较低的BNNS载荷下具有超高的面内导热性，而且还具有优异的电绝缘性能，例如更高的击穿性。与纯聚合物相比，强度、体积电阻率更高，介电损耗降低。通过实验和模拟证明了具有定向BNNSs的纳米复合薄膜对MOSFET的强冷却能力，表明其在新兴电气系统和电子器件的热管理中具有广阔的应用前景。

文献链接：Highly Thermally Conductive Yet Electrically Insulating Polymer/Boron Nitride Nanosheets Nanocomposite Films for Improved Thermal Management Capability （ACS Nano，2018， DOI: 10.1021/acsnano.8b06290）

本文由材料人编辑部高分子学术组水手供稿，材料牛编辑整理。

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