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化學(xué)所聚合物導(dǎo)熱材料研究獲進(jìn)展
文章來(lái)源：新能源網(wǎng) 更新時(shí)間：2023-11-20 15:39:36
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隨著電子元器件日趨高復(fù)合、高頻率和高功率化，電子設(shè)備易出現(xiàn)局部過(guò)熱問(wèn)題，影響可靠性、安全性和使用壽命。聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料具有輕質(zhì)、柔性、耐腐蝕、易成型加工等優(yōu)點(diǎn)，常用作電子元器件熱管理的界面和封裝材料。然而，聚合物基體通常熱導(dǎo)率低、耐溫性差且易燃；同時(shí)，導(dǎo)熱填料存在均勻分散困難、增加復(fù)合材料密度和顯著影響機(jī)械性能等問(wèn)題。
中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所高分子物理與化學(xué)實(shí)驗(yàn)室趙寧課題組在本征高導(dǎo)熱聚合物及其復(fù)合材料研究方面取得進(jìn)展。聚對(duì)苯撐苯并二噁唑（PBO）纖維具有優(yōu)異的機(jī)械、耐熱、阻燃和耐溶劑性能，且高度取向及結(jié)晶結(jié)構(gòu)使其軸向熱導(dǎo)率堪比部分金屬和陶瓷，但這種低維材料難以直接用于熱管理。該課題組通過(guò)剝離PBO纖維獲得納米纖維分散液，以PBO納米纖維為構(gòu)筑單元制備薄膜，發(fā)展了溶膠-凝膠-薄膜轉(zhuǎn)變與熱退火結(jié)合的新方法，降低了薄膜內(nèi)部缺陷、提高了納米纖維取向程度和纖維間的相互作用力（圖1）。該工作所制備薄膜的面內(nèi)熱導(dǎo)率達(dá)到36.7 W/mK，比常規(guī)聚合物（<0.5 W/mK）提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，是304不銹鋼（~ 15 W/mK）的2.4倍。該薄膜保持了優(yōu)異的電絕緣、耐高溫、阻燃、機(jī)械等性能，為復(fù)雜環(huán)境中的高溫?zé)峁芾硖峁┝丝煽窟x擇。 進(jìn)而，該研究以PBO納米纖維為“泥”、MXene納米片為“磚”，構(gòu)筑了仿貝殼“磚泥”結(jié)構(gòu)的復(fù)合薄膜。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)質(zhì)子消耗誘導(dǎo)均勻凝膠化，可顯著抑制納米纖維和納米片自身的聚集，含20 wt% MXene的復(fù)合薄膜可形成精細(xì)的“磚-泥”取向結(jié)構(gòu)，面內(nèi)熱導(dǎo)率可達(dá)42.2 W/mK，復(fù)合薄膜的強(qiáng)度、韌性、熱穩(wěn)定和阻燃等性能得到進(jìn)一步提升。此外，PBO有效阻隔了MXene納米片間的電子傳導(dǎo)路徑，所得薄膜保持了優(yōu)異的電絕緣性能（圖2），為使用導(dǎo)電型導(dǎo)熱填料制備導(dǎo)熱但電絕緣熱管理材料提供了新思路。 相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國(guó)科學(xué)院的支持。
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