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北科大查俊偉教授團(tuán)隊(duì) Adv. Mater.：實(shí)現(xiàn)聚酰亞胺介質(zhì)薄膜新突破 - 雙效調(diào)控介電和導(dǎo)熱性能
2023-10-20  來(lái)源：高分子科技

  聚酰亞胺（PI）具有機(jī)械性能好、熱穩(wěn)定性高、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是解決制約電子電氣行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵性材料。然而，聚合物本身的無(wú)定形態(tài)以及熱導(dǎo)率與介電常數(shù)之間的正相關(guān)性導(dǎo)致PI的低介電/高導(dǎo)熱特性難以協(xié)同改善。目前，多數(shù)的研究工作也只能從單方面來(lái)調(diào)節(jié)PI的介電或?qū)?/span>性能，雖取得了一定的成果，但對(duì)于協(xié)調(diào)聯(lián)控聚酰亞胺的低介電-高導(dǎo)熱機(jī)制仍然鮮為人知。如何設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)同時(shí)具有高熱導(dǎo)率和低介電常數(shù)的聚酰亞胺材料依然面臨巨大的挑戰(zhàn)。



  北京科技大學(xué)查俊偉教授課題組在前期通過(guò)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和空間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)制備低介電聚酰亞胺的基礎(chǔ)上，日前與北方工業(yè)大學(xué)趙全亮教授課題組合作，提出了構(gòu)建“3D多孔復(fù)合網(wǎng)絡(luò)”的設(shè)計(jì)策略和有序“類(lèi)晶相”的新概念，發(fā)展了一種特有結(jié)構(gòu)的低介電-高導(dǎo)熱多孔聚酰亞胺復(fù)合薄膜。該工作首次將天然螢石（氟化鈣，CaF2）作為導(dǎo)熱填料，離子液體（IL）為致孔劑在PI基體中構(gòu)建了3D多孔復(fù)合網(wǎng)絡(luò)。3D多孔復(fù)合網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建一方面可通過(guò)多孔結(jié)構(gòu)的存在降低體系內(nèi)部極化分子的密度以實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)的下降；另一方面，3D網(wǎng)絡(luò)的存在促進(jìn)了導(dǎo)熱填料之間的有效搭接，為聲子的高效傳輸提供了便捷通路。有趣的是，CaF2與PI之間的電荷轉(zhuǎn)移作用又促進(jìn)了PI分子鏈的有效取向，進(jìn)而誘導(dǎo)了有序“類(lèi)晶相”結(jié)構(gòu)的形成。3D多孔復(fù)合網(wǎng)絡(luò)和有序“類(lèi)晶相”結(jié)構(gòu)相聯(lián)合，共同促進(jìn)了聚酰亞胺復(fù)合材料低介電常數(shù)和高導(dǎo)熱系數(shù)的協(xié)同改善，為聚酰亞胺在電子電氣領(lǐng)域的創(chuàng)新型發(fā)展提供了新思路。


IL-CaF2/PI多孔復(fù)合薄膜的合成及其微觀結(jié)構(gòu)


  基于天然螢石和PI之間的電荷轉(zhuǎn)移相互作用，形成了具有雙折射行為的部分有序結(jié)構(gòu)，顯著提高了PI的熱管理能力。研究表明，10vol% IL-CaF2/PI 多孔復(fù)合薄膜表現(xiàn)出高熱導(dǎo)率（λ=7.22 W?m-1?K-1）和低介電常數(shù)（εr=2.14，f=106 Hz）。


薄膜內(nèi)部“類(lèi)晶相”結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理及其光學(xué)特征


  這種高效的熱傳遞確保了復(fù)合薄膜具有冷卻電子器件/設(shè)備（如智能手機(jī)和發(fā)光二極管）和快速光熱響應(yīng)的能力。此外，基于熱-聲效應(yīng)，IL-10vol% CaF2/PI 薄膜可被設(shè)計(jì)成柔性超聲波發(fā)聲器，其能有效地在寬頻范圍（20 kHz~100 kHz）內(nèi)穩(wěn)定發(fā)聲，為未來(lái)的可穿戴超聲波探測(cè)器提供了一種新型理想材料。


IL-CaF2/PI多孔復(fù)合薄膜優(yōu)異的熱管理能力和光熱響應(yīng)特性


IL-10 vol% CaF2/PI基柔性超聲波發(fā)聲器的設(shè)計(jì)及性能監(jiān)測(cè)


  作者提出了“3D多孔復(fù)合網(wǎng)絡(luò)”的創(chuàng)新思路，并基于“類(lèi)晶相”結(jié)構(gòu)的新概念，開(kāi)發(fā)了一種低介電-高導(dǎo)熱的多孔聚酰亞胺復(fù)合膜。該設(shè)計(jì)理念巧妙地打破了制約材料低介電常數(shù)和高導(dǎo)熱系數(shù)難以聯(lián)控的瓶頸，賦予了聚酰亞胺薄膜優(yōu)異的多功能性，進(jìn)一步擴(kuò)大了聚酰亞胺在電子、電氣領(lǐng)域的應(yīng)用前景。本工作近期以“Dual-effect Coupling for Superior Dielectric and Thermal Conductivity of Polyimide Composite Films Featuring “Crystal-like Phase” Structure”為題發(fā)表于Advanced Materials (Doi: 10.1002/adma.202307804)上。第一作者為北京科技大學(xué)董曉迪博士生。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202307804

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