一種具有高垂直取向的氮化硼/硅橡膠導(dǎo)熱復(fù)合材料（TIM），面外導(dǎo)熱系數(shù)19.1W/(m·K)

六方氮化硼 (h-BN) 面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)約400W/(m·K)，通過引導(dǎo)h-BN填料在軸向上取向來優(yōu)化結(jié)構(gòu)化熱傳導(dǎo)路徑，是制備軸向高導(dǎo)熱界面材料（TIMs）的途徑。利用氮化硼薄片在聚合物中獲得高度垂直定向的氮化硼結(jié)構(gòu)的方法有多種，如電場、磁場、膨脹流輔助方法、3D打印法、疊切法、冷鑄法。然而，BN片的垂直取向度仍較差，限制了BN-聚合物復(fù)合材料的面外導(dǎo)熱系數(shù)。據(jù)早前研究所知，在h-BN負載高達62.6vol%的情況下，通過磁場輔助方法，取向TIM的最高通平面導(dǎo)熱系數(shù)TC僅為12.1W/(m·K)，更嚴重的是，過高的填充物含量降低了材料的柔軟性和回彈性，在實際應(yīng)用中會阻礙芯片與散熱器之間的熱傳導(dǎo)。

為了實現(xiàn)高度的定向，在制造過程中需要很大的外力來克服BN片的躍遷能壘，但BN片與聚合物分子摩擦產(chǎn)生的高粘度限制了其沿外力方向的旋轉(zhuǎn)和定向。因此，大多數(shù)研究采用大尺寸BN，加大外力，多外力協(xié)同作用來優(yōu)化垂直方向。然而，由于目前還沒有關(guān)于BN膜填充聚合物復(fù)合材料的系統(tǒng)工作，因此對其通面熱導(dǎo)率仍然是未知的。

對此，近期，北京大學白樹林老師針對解決現(xiàn)代電氣器件散熱用的具有高面外導(dǎo)熱系數(shù)，優(yōu)異的柔軟性和電絕緣性對的TIMs取得最新進展。該團隊采用簡單的疊層切割方法制備了垂直取向氮化硼納米片（BNF）填充硅橡膠(SR)復(fù)合材料，該方法保持了BN納米片的高取向度，獲得了目前為止，在低BN含量(37 vol%)下，面外導(dǎo)熱系數(shù)達到19.1 W/(m·K)的紀錄，同時熱阻低至0.95cm²K/W(1mm)，壓縮模量為5.42 MPa，回彈率為78.3%%的TIMs復(fù)合材料。此外，熱管理性能測試表明，采用該復(fù)合材料作為TIMs的冷卻效率優(yōu)于商用微電子散熱墊。該研究成果以“Highly thermallyconductive and soft thermal interface materials based on vertically orientedfilm”為題發(fā)表在《Composites Part B: Engineering》。

原文 | https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111219