随着第三代半导体技术的发展,电子设备呈现多功能化,小型化,集成化的发展趋势,器件功率密度因此大幅提升。设备内部产生的大量热量不断积累,导致面板翘曲,焊点开裂,器件故障,系统卡顿等问题,这些严重影响了设备的可靠性和使用寿命。如何将积累的热量有效传导出来已经成为制约下一代高功率密度电子器件发展的瓶颈问题。高分子材料被广泛应用于各种电子设备中,比如基板、灌封胶和界面粘合材料等,但是其较低的导热系数对设备的散热情况极为不利。目前,在聚合物基体中直接填充高导热填料是提高其导热系数常用的方法,但是要达到满意的散热效果,往往需要填充大量的导热填料,这势必会带来材料加工性能和力学性能的削弱以及成本的增加。因此,如何在高分子基体中用更少的填料构筑更高效的导热网络,对高功率密度电子器件的发展具有重要意义。本工作从结构设计出发,采用安全、简便、低廉、高效的方法,成功制备了一系列三维导热网络骨架。选用的填料包括一维碳化硅纳米线(SiCw),二维片状六方氮化硼(h-BN),SiCw/氮化硼纳米片(BNNS)复合导热填料以及三维颗粒状α晶型三氧化二铝(α-Al203)。最后通过真空辅助浸渍法将环氧树脂充分浸润到填料骨架中,得到了一系列具有精细填料结构的环氧树脂复合材料,并系统地研究了填料尺寸,界面热阻以及导热网络形貌等因素对复合材料传热效率的影响。预构的三维导热网络为声子的传输提供了快速通道,复合材料综合性能良好,表现出极佳的热管理能力。首先,利用聚苯乙烯(PS)微球作为致孔剂制备了具有连续球形孔洞的SiCw气凝胶。硅烷偶联剂作为粘接剂很好地保护了模板碳化后留下孔洞,使得SiCw骨架在保持极高的孔隙率的同时还具有较高的机械强度。最后通过环氧树脂的充分浸润得到致密且具有连续导热网络的环氧树脂/碳化硅纳米线复合材料。该三维网络大幅提高了热量传输效率,在极低的填料填充量(3.91 vol%)下,复合材料的导热系数比纯环氧树脂提高了两倍,达到了 0.43 W/m·K。其次,通过盐模板法,利用氯化钠(NaCl)溶液重结晶辅助自组装的过程,将h-BN片组装成微球,然后水洗去除盐模板得到大量中空氮化硼微球。最后采用简单的冷压得到一系列具有高导热系数、高孔隙率的BN三维导热骨架。在h-BN占比为65.6 vol%时,其环氧树脂复合材料面内导热系数高达17.61 W/m·K,是纯环氧树脂的88倍;面外也达到5.08W/m·K,显示出巨大的热管理应用前景。再次,为了研究不同形貌的填料之间的协同作用对复合材料导热性能影响,采用改进的真空抽滤自组装法调控BNNS在SiCw中的聚集状态得到了具有垂直取向结构的SiCw/BNNS复合填料导热骨架。通过控制填料复配比例来调控骨架孔隙率。该方法显著提高了环氧树脂复合材料面外声子传输效率,最大导热系数达到了 4.22 W/m·K。此结构在理论模拟和实际芯片封测中都表现出极好的热管理能力。复合材料的尺寸稳定性也得到大幅提高。最后,为了进一步降低三维骨架中填料之间界面热阻,采用绿色安全的蛋白质发泡法成功制备了具有蜂窝状结构的三维氧化铝多孔导热骨架。采用高温烧结的工艺,实现无机颗粒界面晶格融合,大幅降低了填料之间的接触热阻。理论模拟显示,相比随机分散的环氧树脂/氧化铝复合材料,该方法将填料之间的界面热阻降低了一个数量级,最高导热系数达到了 2.58 W/m·K,是相同填充量下随机混合样品的3.6倍。该项研究为导热聚合物基复合材料的结构设计和制备工艺优化提供了新的思路。