随着电子电气领域朝微型化、集成化、高功率化方向的发展,集成电路与元器件等在工作过程中产生大量的热,热量积聚导致产品局部温度过高,轻则电子元器件使用寿命缩短、运行不稳定,严重时可能会造成器件的失效。因此如何将器件在工作过程中产生的热量及时导走,保持其工作性能稳定,已成为科研与工程应用领域的重要研究目标。

高导热电绝缘聚合物基复合材料因其轻质、易加工成型和耐腐蚀等优点受到人们越来越广泛的关注。根据导热通路理论,高导热填料在聚合物基体中形成完善的导热通路是提升复合材料热导率的关键。研究表明,在满足复合材料电绝缘性的前提下,采用导热导电填料和导热绝缘填料的协同发挥可以大幅提升材料的导热能力。此外,将电场、磁场和高剪切场等外加场作用施加到各向异性导热填料上,可以使填料沿某一特定方向取向,从而大幅提升该方向上的导热能力。

四川大学邹华维教授团队通过利用绝缘导热片状氮化硼(BN)和羧基化多壁碳纳米管(CNTs)的协同作用,在高速注塑成型的强剪场作用下(剪切速率≈104 s-1),构筑了一种具有高度取向的杂化导热填料网络结构。片状BN沿注射方向高度取向,而少量CNTs的加入则起到了搭接BN片和提高导热填料堆积密度的作用,显著提升了PC复合材料的导热性能。与此同时,取向BN片在CNTs间发挥隔离作用,确保了材料的电绝缘性。采用高速注射成型的PC/BN(30 wt%)/CNT(2 wt%)复合材料的面内方向热导率达到2.05 W/mK,较纯PC和PC/BN(30wt%)复合材料分别提高了832%和45.4% (图1)。通过高速注塑成型方法制备的复合材料展现出优异的导热性能和电绝缘性能,在电子电气、新能源、航空航天和5G通讯等领域具有重要应用前景。

四川大学邹华维团队MME:通过高剪切注塑构筑杂化取向网络制备绝缘高导热热塑性复合材料

图1. PC基复合材料的导热性能及机理示意图

四川大学邹华维团队MME:通过高剪切注塑构筑杂化取向网络制备绝缘高导热热塑性复合材料

图2. PC基复合材料的红外热成像示意图及温度变化曲线

四川大学邹华维团队MME:通过高剪切注塑构筑杂化取向网络制备绝缘高导热热塑性复合材料

图3. PC复合材料的淬断面形貌:(a, a’) PC/BN10, (b, b’) PC/BN20, (c, c’) PC/BN30, (d, d’) PC/BN10/CNT2, (e, e’) PC/BN20/CNT2, (f, f’) PC/BN30/CNT2.

扫描电子显微镜观察(图3)表明,对于高速注塑成型的PC/BN二元体系,片状BN在高剪切力的作用下沿流动方向完全取向。对于PC/BN/CNT三元体系,CNTs桥接在取向的BN片之间,起到联通导热通路的作用。由图3(d, d’, e, e’)可知,CNTs因范德华力作用会发生团聚,而CNTs在PC/BN30/CNT2中的分散水平得到改善。因此,在高剪切场作用下,由于更大的粘度,熔体会承受更大的剪切力作用而使CNTs团聚体减少。此外,分散性更好的CNTs在实现搭建更多导热通路的同时,也有利于改善复合材料的综合机械性能。

相关研究工作以“Highly Thermally Conductive yet Electrically Insulative Polycarbonate Composites with Oriented Hybrid Networks Assisted by High Shear Injection Molding”为题,发表在Macromolecular Materials and Engineering (DOI: 10.1002/mame.202100632)上。四川大学高分子研究所/高分子材料工程国家重点实验室硕士研究生白杨为论文第一作者,四川大学邹华维教授、周生态副研究员为论文共同通讯作者。本工作受到中国博士后科学基金面上项目(2020M673217),苏州市科技局重点研发产业化项目(SG201937)和中央高校基本科研业务费项目的支持。

WILEY

论文信息:

Highly Thermally Conductive yet Electrically Insulative Polycarbonate Composites with Oriented Hybrid Networks Assisted by High Shear Injection Molding

Yang Bai, You Shi, Shengtai Zhou*, Huawei Zou*, Mei Liang

Macromolecular Materials and Engineering

DOI: 10.1002/mame.202100632

原文始发于微信公众号(AdvancedScienceNews):四川大学邹华维团队MME:通过高剪切注塑构筑杂化取向网络制备绝缘高导热热塑性复合材料

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作者 gan, lanjie