ACS Nano：用于提高熱管理能力的高導熱且電絕緣的聚合物/氮化硼納米片納米復合薄膜

【引言】

由于其多功能性和易加工性，現代電氣系統和電子設備的熱管理應用迫切需要導熱但電絕緣的聚合物復合材料。然而，增強聚合物復合材料的導熱性通常以輕質損失、柔韌性和電絕緣性的劣化為代價。本文報告了含有定向氮化硼納米片（BNNS）的先進聚合物納米復合材料，其表現出高導熱性，優異的電絕緣性和出色的柔韌性。這些納米復合薄膜可以通過靜電紡絲聚合物/BNNS納米復合纖維，垂直折疊電紡納米復合纖維，經壓制而構建。納米復合薄膜在33wt％BNNS負載量時具有超高的面內導熱系數。此外，與原始聚合物相比，納米復合膜具有優異的電絕緣性能，例如低的介電損耗，較高的電阻率和擊穿強度。在電源器件中證明了納米復合薄膜的強大熱管理能力，這表明了管理高功率密度電子設備的熱平面內高導熱性的重要性。

【成果簡介】

導熱且電絕緣的聚合物材料已廣泛應用于發光二極管（LED）、集成電子器件、能量存儲和轉換系統，軍事武器和航空航天工業中，以實現適當的熱管理。隨著電氣系統和電子設備的快速性能演進，傳統的聚合物復合材料不能滿足熱管理的高要求。因為聚合物材料雖具有優異的電絕緣性能，靈活性和設計自由度，但低固有導熱率限制了它們在熱管理中的適用性。因此，結合聚合物的優點和填料的高導熱性的復合材料被認為是理想的解決方案。其中，六方氮化硼納米片（BNNS）由于具有超高導熱性，寬帶隙（約5.9 eV）和高縱橫比2D形態，是有前途的導熱填料。

近期，來自上海交通大學的上海交通大學江平開教授團隊在ACS Nano上發表了一篇題為“Highly Thermally Conductive Yet Electrically Insulating Polymer/Boron Nitride Nanosheets Nanocomposite Films for Improved Thermal Management Capability”的文章。本文報告使用靜電紡絲，經過簡單折疊和熱壓，制備出高導熱但電絕緣的熱塑性聚合物基BNNS納米復合薄膜，具有簡單性和適應性以用于商業生產。聚偏二氟乙烯（PVDF）用作基體，BNNSs沿聚合物薄膜的面內方向取向和相互連接，使PVDF / BNNS納米復合薄膜在33wt％BNNS負載量時具有超高的面內導熱系數16.3 W/（m·K）。此外，納米復合膜具有比原始PVDF更好的電絕緣性能。通過實驗和模擬，證明了這種納米復合薄膜在電源熱管理中的潛在應用。

【圖文導讀】

圖1 PVDF / BNNS納米復合薄膜的制備方案

圖2? 纖維和納米復合材料薄膜的微觀結構或形態圖

a）PVDF纖維的SEM圖像;

具有20wt％（b）和33wt％（c）BNNS的納米復合纖維的SEM圖像;

（d，e）具有33wt％BNNS的納米復合纖維的TEM圖像，d）中的插圖是互連和線性排序的BNNS的模擬形態；

具有33wt％（f）和20wt％（g）BNNS的垂直折疊的納米復合纖維的SEM圖像;

具有33wt％BNNS的納米復合膜的SEM圖像（h）和照片（i）。

圖3 具有互連取向BNNS的納米復合材料和具有隨機分散的BNNS的納米復合材料的面內（=）和穿透面（⊥）熱導率

?

（a）納米復合材料在25℃時的面內（K =）和穿透面（K⊥）導熱率;

（b）復合薄膜中的熱流面內轉移圖；

（c）導熱性復合薄膜的各向異性因子；

（d）厚度依賴于PVDF / BNNS復合材料的面內導熱率；

（e）關于BNNS或BN基聚合物復合材料，本文工作和其他代表性出版工作的導熱系數比較。

圖4納米復合材料的電絕緣性

（a）納米復合材料的體積電阻率；

（b）不同納米復合材料的擊穿強度的威布爾圖；

（c）不同納米復合材料的頻率依賴性介電損耗角正切；

（d）具有33wt％BNNS的納米復合材料的DSC加熱曲線。

圖5 納米復合薄膜在冷卻MOSFET中的應用

（a）與熱界面材料集成的MOSFET的光學照片；

（b）與不同熱界面材料集成的MOSFET的紅外熱圖像；

（c）與熱界面材料集成的MOSFET的示意圖；

（d）表面溫度 MOSFET的變化與時間的關系。

圖6 BNNS的納米復合膜的溫度的建模和計算

?

（a）具有取向BNNS的納米復合膜的溫度的建模和計算；

（b）MOSFET上方的硅樹脂墊（MOSFET的溫度設定為90℃）。

【小結】

本文通過三個步驟（靜電紡絲，垂直折疊和隨后的模壓成型）制造填充有BNNS的高導熱但電絕緣的聚合物納米復合膜。納米復合材料不僅在相對較低的BNNS載荷下具有超高的面內導熱性，而且還具有優異的電絕緣性能，例如更高的擊穿性。與純聚合物相比，強度、體積電阻率更高，介電損耗降低。通過實驗和模擬證明了具有定向BNNSs的納米復合薄膜對MOSFET的強冷卻能力，表明其在新興電氣系統和電子器件的熱管理中具有廣闊的應用前景。

文獻鏈接：Highly Thermally Conductive Yet Electrically Insulating Polymer/Boron Nitride Nanosheets Nanocomposite Films for Improved Thermal Management Capability （ACS Nano，2018， DOI: 10.1021/acsnano.8b06290）

本文由材料人編輯部高分子學術組水手供稿，材料牛編輯整理。

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