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北化盧詠來教授團隊《Chem. Mater.》：動態(tài)共價交聯(lián)的橡膠基體輔助構(gòu)筑高度垂直排列取向的BN微觀結(jié)構(gòu)用于高性能熱界面材料
2023-06-27  來源：高分子科技

  熱界面材料（TIM）廣泛應(yīng)用于發(fā)熱元件與散熱器之間的接觸間隙，排除其中的空氣，降低接觸熱阻，使散熱器的作用得到充分發(fā)揮，在熱管理中起到十分關(guān)鍵的作用。由于熱量從發(fā)熱元件穿過TIM厚度方向傳遞至散熱器，TIM的面外導(dǎo)熱系數(shù)（λ⊥）主導(dǎo)了其散熱性能。六方氮化硼（BN）是性能優(yōu)異的導(dǎo)熱填料，單個BN微片的平面內(nèi)導(dǎo)熱率（λ∥）高達400 W?m-1?K-1，且具有高度電絕緣性優(yōu)勢。通過模壓、剪切等工藝可以比較容易的實現(xiàn)BN片的高度平面取向，但要實現(xiàn)高度垂直取向仍然非常困難。


  北京化工大學(xué)先進彈性體中心盧詠來教授團隊在前期研究中，利用橡膠混煉膠的自粘性，通過卷曲硫化的方法，簡便地把BN的面內(nèi)取向轉(zhuǎn)換成面外取向（Carbon, 2020, 162, 46-55），但這一策略在高的BN填充份數(shù)下難以實現(xiàn)有效的界面焊接，使材料的成型加工受到限制。近日，團隊展示了一種新的Vitrimer橡膠基體輔助構(gòu)筑垂直取向結(jié)構(gòu)的方法，引入動態(tài)共價交聯(lián)鍵強化膜和膜之間的界面焊接，結(jié)合熱壓取向、堆疊焊接以及縱向裁切工藝，獲得具有高度BN垂直取向結(jié)構(gòu)的高性能TIM（圖1b）。這種高度定向的結(jié)構(gòu)類似于天然貝殼的珍珠層，因其完善的導(dǎo)熱通路可以有效提高材料的導(dǎo)熱系數(shù)（圖1a）。該方法基于動態(tài)硼酸酯鍵交聯(lián)的聚丁二烯（BR）Vitrimer橡膠基體，并通過熱壓法實現(xiàn)了BN的高度取向。由于動態(tài)交聯(lián)BR的重排機制及其優(yōu)異的可再加工性，成功完成了后續(xù)的焊接工藝，制備出高垂直排列的BN/BR復(fù)合材料（VAC）（圖2）。制備的VAC面外導(dǎo)熱系數(shù)（λ⊥）達到14.1 W?m-1?K-1，優(yōu)于其他方法所報道的BN復(fù)合材料（圖3）。此外，與商用TIM相比，VAC可以大幅降低電子芯片的工作溫度（圖4）。這種仿生復(fù)合材料制造的簡單性和可擴展性意味著該方法適用于由其他二維填料和Vitrimer基體組成的復(fù)合材料。期望該工作能夠為先進TIM的設(shè)計和制備提供新思路和新方法。


圖1 （a）天然貝殼珍珠層的微觀結(jié)構(gòu)；（b）仿貝殼珍珠層微觀結(jié)構(gòu)VAC的工藝路線。 


圖2 VAC的微觀結(jié)構(gòu)及內(nèi)部的BN取向度測試。 


圖3 VAC的導(dǎo)熱性能測試。 


圖4 VAC在電腦芯片散熱中的應(yīng)用。


  相關(guān)工作以“Vitrimer-assisted Construction of Boron Nitride Vertically Aligned Nacre-Mimetic Composites for Highly Thermally Conductive Thermal Interface Materials”為題發(fā)表在《Chemistry of Materials》上。文章第一作者是北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生葉能，北京林業(yè)大學(xué)的李京超講師和北京化工大學(xué)的盧詠來教授為文章的通訊作者，該研究得到了北京市自然科學(xué)基金和國家自然科學(xué)基金等項目的資助。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.3c00947

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