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  超高密度電子封裝及高電壓、大功率電氣絕緣技術(shù)的發(fā)展對所應(yīng)用的聚合物材料越來越嚴(yán)苛的要求，絕緣場合散熱需求極大推動了導(dǎo)熱絕緣聚合物復(fù)合電介質(zhì)材料的迅速發(fā)展。近年來導(dǎo)熱聚合物的研究取得很大的進(jìn)展，進(jìn)一步推動了其在微電子封裝、電機(jī)、動力汽車電池?zé)峥刂葡到y(tǒng)、太陽能、LED照明、換熱及高效散熱器件上的工業(yè)應(yīng)用，但是目前導(dǎo)熱聚合物的熱導(dǎo)率的提高主要通過使用大量導(dǎo)熱粒子（不低于65wt%）在高熱阻的基體內(nèi)構(gòu)筑出促進(jìn)聲子熱傳遞的路徑和通道來實(shí)現(xiàn)，而高填充帶來了很多明顯負(fù)面影響，如復(fù)合材料的絕緣電阻及介電強(qiáng)度顯著下降、介電常數(shù)及損耗升高，這嚴(yán)重影響和限制了其在面向5G應(yīng)用的高頻基板，以及高壓大功率絕緣裝備上的應(yīng)用。此外，還一定程度上造成了加工成型困難和力學(xué)性能劣化。因此，設(shè)計(jì)和制備低填充量下的高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料具有重要研究和應(yīng)用價(jià)值。

  面向航空、航天應(yīng)用的材料的設(shè)計(jì)和制備首要考慮其質(zhì)量，這是飛行器必須考慮和滿足的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，因?yàn)闇p重意味著更快的航程和更快飛行速度。而目前傳統(tǒng)的填充型導(dǎo)熱聚合物很難直接應(yīng)用于空天飛行器器件，因?yàn)樵O(shè)計(jì)對部件質(zhì)量的嚴(yán)格要求使得傳統(tǒng)導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的質(zhì)量被限制在很小范圍內(nèi)，而高填充導(dǎo)致的高密度導(dǎo)熱材料很難滿足實(shí)際設(shè)計(jì)和飛行要求。因此，設(shè)計(jì)和開發(fā)出具有輕質(zhì)的高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料顯得尤為重要。

  發(fā)泡技術(shù)是降低聚合物密度和質(zhì)量的重要手段，但引入的空氣熱導(dǎo)率僅為聚合物的1/10，使得聚合物泡沫變成了絕熱材料。如何提高低密度泡沫聚合物的熱導(dǎo)率是制備輕質(zhì)導(dǎo)熱聚合物的關(guān)鍵所在�；诖死砟詈蛯�(shí)際需求，本研究設(shè)計(jì)和制備了一種具有多孔結(jié)構(gòu)的氮化硼納米片(BNNSs)/交聯(lián)聚苯乙烯（c-PS）復(fù)合材料。借助于純水為起泡劑，在微泡形成過程產(chǎn)生的應(yīng)力使得原本均勻分布在聚合物內(nèi)的BNNSs在環(huán)形應(yīng)力作用下在氣泡之間的泡壁內(nèi)形成環(huán)形結(jié)構(gòu)的取向分布，借助于泡空的形成及孔徑發(fā)展使得原本不相連接的BNNSs之間產(chǎn)生相互連接結(jié)構(gòu)，最終基于發(fā)泡過程誘導(dǎo)的BNNSs構(gòu)建的3D網(wǎng)絡(luò)為聲子傳遞鋪設(shè)了高速通道，如圖1所示。另一方面泡孔產(chǎn)生又降低熱導(dǎo)率，因此，復(fù)合體系的熱導(dǎo)率與BNNSs形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，而BNNSs的導(dǎo)熱通路的構(gòu)建與發(fā)泡比、BNNSs用量、泡孔直徑及泡孔密度等因素相關(guān)，如圖2所示。本文研詳細(xì)研究了上述因素對多孔結(jié)構(gòu)聚合物的熱導(dǎo)率的影響機(jī)理，進(jìn)而討論了對介電常數(shù)及損耗因子的影響。研究結(jié)果表明基于泡孔結(jié)構(gòu)的BNNSs/c-PS在最佳條件下呈現(xiàn)出高達(dá)1.28 W/m K的熱導(dǎo)率，遠(yuǎn)高于同等填料用量下的未發(fā)泡體系的熱導(dǎo)率，該材料密度下降了接近1/2，圖3及圖4所示。

圖1 多孔結(jié)構(gòu)BNNSs/c-PS復(fù)合材料的制備工藝過程

圖2 發(fā)泡比對BNNSs在c-PS中導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)筑影響示意圖

圖3 相場模擬不同發(fā)泡比例下材料的導(dǎo)熱能力

圖4 BNNSs用量及發(fā)泡比對復(fù)合材料的密度、比熱導(dǎo)率的影響

  此外，該多孔結(jié)構(gòu)復(fù)合材料呈現(xiàn)出明顯低于本體聚合物的超低介電常數(shù)及損耗，在寬頻內(nèi)及玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下保持了極佳的頻率及溫度穩(wěn)定性，圖5所示。本研究設(shè)計(jì)和制作的超輕聚合物導(dǎo)熱復(fù)合材料以獨(dú)特的低密度、穩(wěn)定的超低介電常數(shù)及損耗、高比熱導(dǎo)率等優(yōu)勢在航空及航天電子器件及絕緣散熱場合顯示了重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。

圖5 泡沫復(fù)合材料的的介電溫譜性能

  該研究以題為“Lightweight Porous Polystyrene with High Thermal Conductivity by Constructing 3D Interconnected Network of Boron Nitride Nanosheets”的論文發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會旗下著名刊物ACS Applied Materials and Interfaces, 2020,12,46767-46778上，西安科技大學(xué)先進(jìn)電工材料研究中心周文英教授和美國賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)與工程系Qing Wang（王慶）教授分別為該文第一作者及通訊作者。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c11543