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  當(dāng)前，電力設(shè)備和電子器件朝著高功率密度化、高集成化等方向發(fā)展，特別是半導(dǎo)體行業(yè)更是以超摩爾定律的速度高速發(fā)展。電力設(shè)備與電子器件，其運行、工作過程中會產(chǎn)生大量熱量，若這些熱量不能被高效傳遞出去，會嚴(yán)重影響設(shè)備及器件的工作效率、可靠性和使用壽命。聚合物在電力設(shè)備及電子器件中被廣泛用作絕緣材料，但大部分聚合物材料導(dǎo)熱系數(shù)低，嚴(yán)重制約了各種設(shè)備熱管理能力的提升。所以，絕緣聚合物材料的熱管理能力的提升在相當(dāng)程度上決定了電力設(shè)備及電子器件的技術(shù)水平。為解決這一問題，傳統(tǒng)的方式是通過在聚合物中添加大量無機(jī)、金屬或碳類導(dǎo)熱填料增強(qiáng)材料的熱傳遞性能。但這一方法同時會犧牲聚合物材料的絕緣性能、機(jī)械性能及加工性能。因此，在低填充下實現(xiàn)高效熱管理能力是國際導(dǎo)熱絕緣材料研究領(lǐng)域中的一大難題。

  近期，上海交通大學(xué)上海市電氣絕緣與熱老化重點實驗室江平開教授團(tuán)隊在ACS Nano上發(fā)表題為“Highly Thermally Conductive Yet Electrically Insulating Polymer/Boron Nitride Nanosheets Nanocomposite Films for Improved Thermal Management Capability”的文章，報道了利用高壓靜電紡絲法制備面內(nèi)取向、互相連接、結(jié)構(gòu)可控的二維氮化硼納米片(BNNS)結(jié)構(gòu)，成功在低填充下同時實現(xiàn)聚合物絕緣材料導(dǎo)熱系數(shù)的高效增強(qiáng)以及材料絕緣性能的明顯提高。

  江平開教授團(tuán)隊多年來致力于導(dǎo)熱絕緣材料的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，該文的發(fā)表是繼該團(tuán)隊近年在《Advanced Functional Materials》、《ACS Applied Materials & Interfaces 》等雜志發(fā)表導(dǎo)熱絕緣研究論文后的又一次重要進(jìn)展。

  首先進(jìn)行PVDF和BNNS的混合溶液制備，在選用較優(yōu)的比例下進(jìn)行靜電紡絲制得取向排列且互相連接的BNNS 聚合物復(fù)合纖維。通過裁剪以及垂直折疊制備具有網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的復(fù)合纖維氈，然后采用冷壓與熱壓成型結(jié)合的方式得到致密的柔性納米復(fù)合絕緣材料。

圖1 PVDF/BNNS復(fù)合材料的制備過程

圖2  納米復(fù)合絕緣材料不同制備階段的微結(jié)構(gòu)示意圖

（a）PVDF 纖維；（b，c，d, e）取向的PVDF/BNNS復(fù)合纖維；（f，g）網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的PVDF/BNNS復(fù)合纖維；（h, i）納米復(fù)合材料. 

  測試結(jié)果顯示，該材料具有強(qiáng)導(dǎo)熱各向異性，在氮化硼納米片含量僅33 wt% 下，面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)最高可達(dá)16.3 W/(m·K)，是現(xiàn)有報道中熱塑性聚合物絕緣材料導(dǎo)熱增強(qiáng)效率的新紀(jì)錄！更重要的是，這種材料同時進(jìn)一步提高了PVDF原本優(yōu)異的絕緣性能，增加了其介電強(qiáng)度以及體積電阻率、降低了其介電損耗。

圖3 具有互連取向BNNS的納米復(fù)合材料和具有均勻分散的BNNS的納米復(fù)合材料的面內(nèi)（=）和穿透面（⊥）導(dǎo)熱性能

（a）納米復(fù)合材料在25℃時的面內(nèi)（K =）和穿透面（K⊥）導(dǎo)熱率;（b）復(fù)合薄膜中的面內(nèi)熱流機(jī)理圖；（c）復(fù)合薄膜的導(dǎo)熱各向異性；（d）PVDF / BNNS復(fù)合材料的面內(nèi)導(dǎo)熱率的厚度依賴性；（e）關(guān)于BNNS或BN基聚合物復(fù)合材料，本文工作和其他代表性工作的導(dǎo)熱性能比較。

圖4 納米復(fù)合材料的電性能和熱性能

（a） 納米復(fù)合材料的體積電阻率；（b） 不同納米復(fù)合材料的擊穿強(qiáng)度的威布爾圖；（c） 納米復(fù)合材料介電損耗角正切的頻率依賴性；（d） 添加33wt％BNNS的納米復(fù)合材料的DSC曲線.

  此外，在熱管理應(yīng)用方面，將該納米復(fù)合絕緣材料集成到電源組件中，作為其關(guān)鍵器件-金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的散熱界面材料, 使用有限元計算模擬以及紅外熱像儀觀察得到，該材料相比商業(yè)的界面材料具有明顯更高的熱管理能力，成功降低器件的運行溫度，且該方法具有簡單、便利、可工業(yè)化等特點。說明這種面內(nèi)導(dǎo)熱各向異性材料在熱管理方面具有很好的應(yīng)用前景。

圖5 納米復(fù)合薄膜在冷卻MOSFET中的應(yīng)用 

（a） 集成熱界面材料的MOSFET的光學(xué)照片；（b） 集成的不同熱界面材料MOSFET在運行時的紅外熱圖像；（c） 集成熱界面材料的電源設(shè)備的結(jié)構(gòu)以及散熱路徑示意圖；（d） MOSFET運行時的表面溫度變化。

圖6 BNNS聚合物復(fù)合膜作為熱界面材料的COMSOL模擬 

（a）取向結(jié)構(gòu)的BNNS聚合物復(fù)合膜作為熱界面材料的幾何建模與散熱模擬計算；（b）各向同性的商業(yè)化硅膠墊片的幾何建模與散熱模擬計算（MOSFET的溫度設(shè)定為90℃）。

  通過三個步驟（靜電紡絲，垂直折疊和模壓成型）制備高導(dǎo)熱且電絕緣的BNNS聚合物納米復(fù)合膜。納米復(fù)合材料不僅在相對較低的BNNS添加量下具有超高的面內(nèi)導(dǎo)熱性，而且還具有優(yōu)異的電絕緣性能，如純比聚合物基體更高的擊穿強(qiáng)度、體積電阻率，且介電損耗得到有效抑制。通過實驗和有限元模擬證明了具有取向且互相連接結(jié)構(gòu)的BNNS聚合物納米復(fù)合薄膜對電源設(shè)備具有很像的熱管理能力，表明其在新興電氣系統(tǒng)和電子器件的熱管理中具有廣闊的應(yīng)用前景。該篇文章第一作者為上海交通大學(xué)2015級博士生陳金，通訊作者為黃興溢教授。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b06290