ACS Nano:基于超大長徑比氮化硼納米片的可折疊式高導熱勻熱膜

【引言】

近年來,集成電路和高功率器件的有效散熱已經成為制約其發展的主要因素,特別是隨著尖端電子產品多功能化和小型化趨勢的快速發展,高熱導率已經不再是先進熱管理材料的唯一需求,優異的電絕緣和機械性能等也應予以重點考慮。聚合物材料電絕緣性能好,機械強度高,廣泛應用于電子封裝領域,但其本征熱導率很低(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熱填料(如Al2O3、AlN和h-BN等)來提高聚合物基體的熱導率,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,性能更加優越,是理想的導熱增強填料,但其導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熱導率(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”)日益受到關注。為了充分利用BNNS的本征高熱導來提高復合材料的導熱性能,研究者們主要將目光集中在BNNS導熱逾滲網絡的構筑和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)對復合材料導熱性能的影響卻涉獵不多。相關研究表明,提高石墨烯長寬比對石墨烯基復合材料的導熱增強有積極作用。因此,大長徑比的BNNS或許能夠成為提高氮化硼基導熱復合材料熱導率的新途徑。

【成果簡介】

近日,中科院寧波材料所林正得研究員、湖南大學陳鼎教授、中科院深圳先研院魯濟豹副研究員(共同通訊作者)人開發了一種基于微射流技術剝離制備BNNS的方法,該方法產率高(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合薄膜,在BNNS含量為83 wt%時,平面內熱導率可達67.6 W m-1 K-1,相較于基體熱導率提高了≈ 355倍,每1 wt% BNNS對熱導率的提高幅度更是達到了極高的427%,并兼具優良的力學和電學性能。該復合薄膜作為勻熱膜使用時,相較于柔性覆銅板,具有更優越的散熱性能。上述成果為現代電子設備的熱管理材料開發提供了新的思路,并以題為“Ultrahigh-Aspect-Ratio Boron Nitride Nanosheets Leading to Superhigh In-Plane Thermal Conductivity of Foldable Heat Spreader”發表在了ACS Nano上。

【圖文導讀】

1 BNNS的形貌和結構表征


(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。

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)厚度分布統計。(k) BNNS的縱橫比和及(l)產率與施加壓力之間的關系。

3 BNNS/PVA復合薄膜的制備與表征


(a)抽濾制備BNNS/PVA復合薄膜的過程示意圖。(b)復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。

4 BNNS/PVA復合薄膜的熱學性能


復合薄膜的(a)面內熱擴散系數和(b)熱導率與BNNS長徑比及含量之間的關系。(c) BNNS-1500/PVA (83 wt%)的冷熱循環測試(d)樣品與文獻中報道的氮化硼基復合材料的比TCE值比較,以及(e)上述復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。

 5 BNNS-1500/PVA復合薄膜的力學性能


83 wt%含量下BNNS-1500/PVA復合薄膜具有(a)良好的機械強度和(b)高度可折疊性,(c)易于裁切成型。(d)循環彎曲試驗及其相應的(e)形貌和(f)面內導熱率變化。

6 復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設置。(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)相應的IR圖像。

【小結】

本文開發了一種簡單的微射流剝離氮化硼技術,該技術產率高(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。當這種BNNS作為聚合物基體中的導熱增強填料使用時,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,復合材料的熱導率提高了33%。在83 wt %的含量下,復合薄膜的面內熱導率為67.6 W m-1 K-1,相較于基體提高了≈ 355倍,每1 wt% BNNS對熱導率的提高幅度達到了極高的427%。憑借超高的面內熱導率、優異的機械強度和電絕緣性,該復合薄膜在電子制冷領域的散熱應用前景廣闊,并表現出比商用撓性覆銅板更好的散熱性能,為新一代高導熱絕緣熱管理材料的開發提供了新思路。

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。



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