基于结构设计的二维导热复合材料制备及性能影响研究

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随着集成电路技术的进步,电子产品朝着小巧、精密的方向发展。电子电路在运行中会产生热量,快速有效地将热量散发出去成为了其能否正常工作的关键。高分子薄膜由于具有柔韧、重量轻、易加工等优点,已经广泛地应用于电子产品的封装中。但是其导热率较低,无法满足导热散热需求。将导热填料如石墨烯(Graphene)、氮化硼(BN)等与之复配,制得了导热率较高的高分子导热薄膜。但是,高分子导热薄膜在实际应用过程中需要面对各种环境,为了满足不同环境的应用需求,本文制备了具有多种功能的高分子导热薄膜。分别为:通过填料结构设计提高聚酰胺(PA)薄膜的导热能力;通过多层结构设计实现纳米纤维素(NFC)薄膜的导热与电绝缘性能;通过表面结构设计实现NFC薄膜的导热与疏水性能。具体工作内容如下:1.采用PA为基体,一维(1D)碳化硅晶须(SiCw)与二维(2D)石墨烯纳米片(GNs)为填料,在密炼机的混合搅拌和平板硫化机热压的作用下制得了两个方向均具有较高导热率的导热薄膜。通过导热仪、SEM等测试可知,1D的SiCw在PA/GNs中起到了“桥接”作用,阻止了GNs的堆积团聚,同时也在纵向建立了一条新的导热通路,进而提高其λz。当聚酰胺/石墨烯/碳化硅(PASC)复合薄膜中含有9 wt%的GNs和36 wt%的SiCw时,其导热率分别可以达到8.55(水平)和2.31(纵向)W·m-1·K-1。与纯基体(PA)相比,其导热提升率(TCE)分别达到了187%和508%。除此之外,PASC复合薄膜的力学性能也有一定的提升。两个方向较高的导热率以及较好的力学性能可以保证该复合薄膜能够广泛地应用在各类导热散热的电子元器件中。2.采用来源广、强度高、可生物降解的纳米纤维素(NFC)为基体,导热且导电的石墨烯纳米片(G2s)与导热且电绝缘的氮化硼纳米片(BNs)为填料,在真空辅助自组装(VASA)和层层组装(LBL)的作用下,制得了抗静电且电绝缘的多层高分子导热薄膜。通过SEM、EDS、电阻率等测试可知,具有不同功能的NFC层分别起到了不同的作用。NFC形成的薄膜具有较好的层状结构,且无机填料沿1D纤维素方向较均匀地分散,进而形成了导热通路。制得的BGCGB薄膜(同时兼具导热、电绝缘、抗静电功能),是一种五层夹心对称的结构,在填料量为8 wt%时,导热率可以达到7.04 W·m-1·K-1,其TCE可以达到528%。除此之外,该薄膜还具有较高的力学性能。这些性能可以保证该柔韧薄膜可以既安全又环保地应用在对导热散热有多种需求的领域。3.采用同上与无机填料相容性好的NFC为基体,导热且电绝缘的氮化硼纳米片(BNNs),具有疏水能力的二氧化硅(SiO2)作为无机填料,在VASA的作用下制得导热薄膜。当BNNs的含量为7 wt%时,NB-7薄膜的导热率达到了11.84 W·m-1·K-1,其TCE达到了957.1%。并且该薄膜具有较好的电绝缘性和力学强度。通过接触角等测试可知,表面结构设计后得到的高分子导热薄膜具有较好的疏水能力。保证了该薄膜可以应用在潮湿多水的领域,防止水分对薄膜的导热和力学等性能造成不良影响。
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