化肥妙用，构建3D氮化硼泡沫填充的环氧树脂复合材料实现高效热管理

来源：高分子科学前沿

随着电子器件不断向小型化、集成化和多功能化的方向发展，其功率密度不断增加，单位体积的发热量越来越大。电子元器件工作时产生的热量，是影响电子元器件性能和使用寿命的关键因素，散热问题已经成为制约微电子器件和系统发展和应用的瓶颈。尤其是随着5G和自动驾驶技术的快速布局，对热管理材料又提出了新的挑战。用于5G基站和自动驾驶雷达上的基板材料要求同时具有高的热导率，低的介电常数和介电损耗。传统通过向聚合物基体添加随机分散的导热填料的方法不仅不能有效增加热导率，还会极大增加复合材料的介电常数和介电损耗。针对上述问题，汪宏教授课题组采用NH4HCO3作为牺牲材料，提出了一种简便且通用的方法来构造三维氮化硼泡沫（3D-BN），再通过环氧树脂填充3D-BN获得复合材料。该复合材料不仅采用的方法简单，且可以大大提高复合材料的热导率。所制备的复合材料的纵向热导率最高可达6.11 W m-1 K-1。作者通过有限元方法进行了进一步分析表明，高导热率归因于3D-BN泡沫，其中BN泡沫仅由片状氮化硼组成，氮化硼与氮化硼在压力下紧密连接，其在复合材料中能够提供声子传输的快速通道。该复合材料同时具有优异的绝缘性能，低的介电常数和介电损耗。通常提高聚合物材料热导率的方法是将具有高热导率的填料加入到聚合物基体中来制备导热复合封装材料。然而，由于聚合物基体和导热填料之间存在较高的界面热阻，简单的填充并不能有效地增加复合材料的热导率。在这种情况下，只有不断提高填料的体积分数才能获得理想的热导率，但是过高的填料比会增加复合材料的介电常数，恶化材料的机械性能。本研究工作中，通过对导热填料BN和热解材料NH4HCO3两种固体颗粒粒径的选择和调控来实现对三维网络骨架的有效构建，当热解材料和导热填料的粒径比在8倍及以上时，两种大小差异明显的材料在混合过程中可以实现结构的有效装配，导热填料的小颗粒会吸附包围于热解材料的大颗粒表面，这样，在进行加压处理时，压力会主要集中到粒径较小的导热填料上，通过加压可以增强作为三维骨架的导热填料之间的相互接触，进一步减小填料之间的界面热阻，进一步加热可以使得NH4HCO3分解，从而得到氮化硼泡沫，该泡沫能够为环氧树脂填充后的三维结构复合材料提供高效的声子传输通道。
同时该工作还采用有限元模拟深入分析了热导率的增长机理，为有效提高热导率提供了新的理论依据。作者发现，和随机填充导热填料不同的是，当采用三维导热填料网络，复合材料的热导率将会随导热填料的热导率上升而线性上升。而随机填充时，当导热填料的热导率上升到一定程度之后，单纯靠提升填料的热导率并不能大幅度提高复合材料的热导率。该研究工作以“3D boron nitride foam filled epoxy composites with significantly enhanced thermal conductivity by a facial and scalable approach”为题发表在国际化学工程领域顶级期刊Chemical Engineering Journal（实时影响因子10.83），该工作第一作者为西安交大微电子学院博士生徐信未，通讯作者为南方科技大学讲席教授汪宏。西安交通大学为第一单位，南方科技大学与美国宾州州立大学为本文合作单位。该工作得到深圳市科技计划（孔雀团队和基础研究计划）、深圳市工程实验室项目的支持。