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北化盧詠來教授團隊《Chem. Mater.》：動態共價交聯的橡膠基體輔助構筑高度垂直排列取向的BN微觀結構用于高性能熱界面材料

2023-06-27 來源：高分子科技

熱界面材料（TIM）廣泛應用于發熱元件與散熱器之間的接觸間隙，排除其中的空氣，降低接觸熱阻，使散熱器的作用得到充分發揮，在熱管理中起到十分關鍵的作用。由于熱量從發熱元件穿過TIM厚度方向傳遞至散熱器，TIM的面外導熱系數（λ_⊥）主導了其散熱性能。六方氮化硼（BN）是性能優異的導熱填料，單個BN微片的平面內導熱率（λ_∥）高達400 W?m^-1?K^-1，且具有高度電絕緣性優勢。通過模壓、剪切等工藝可以比較容易的實現BN片的高度平面取向，但要實現高度垂直取向仍然非常困難。

北京化工大學先進彈性體中心盧詠來教授團隊在前期研究中，利用橡膠混煉膠的自粘性，通過卷曲硫化的方法，簡便地把BN的面內取向轉換成面外取向（Carbon, 2020, 162, 46-55），但這一策略在高的BN填充份數下難以實現有效的界面焊接，使材料的成型加工受到限制。近日，團隊展示了一種新的Vitrimer橡膠基體輔助構筑垂直取向結構的方法，引入動態共價交聯鍵強化膜和膜之間的界面焊接，結合熱壓取向、堆疊焊接以及縱向裁切工藝，獲得具有高度BN垂直取向結構的高性能TIM（圖1b）。這種高度定向的結構類似于天然貝殼的珍珠層，因其完善的導熱通路可以有效提高材料的導熱系數（圖1a）。該方法基于動態硼酸酯鍵交聯的聚丁二烯（BR）Vitrimer橡膠基體，并通過熱壓法實現了BN的高度取向。由于動態交聯BR的重排機制及其優異的可再加工性，成功完成了后續的焊接工藝，制備出高垂直排列的BN/BR復合材料（VAC）（圖2）。制備的VAC面外導熱系數（λ_⊥）達到14.1 W?m^-1?K^-1，優于其他方法所報道的BN復合材料（圖3）。此外，與商用TIM相比，VAC可以大幅降低電子芯片的工作溫度（圖4）。這種仿生復合材料制造的簡單性和可擴展性意味著該方法適用于由其他二維填料和Vitrimer基體組成的復合材料。期望該工作能夠為先進TIM的設計和制備提供新思路和新方法。

圖1 （a）天然貝殼珍珠層的微觀結構；（b）仿貝殼珍珠層微觀結構VAC的工藝路線。

圖2 VAC的微觀結構及內部的BN取向度測試。

圖3 VAC的導熱性能測試。

圖4 VAC在電腦芯片散熱中的應用。

相關工作以“Vitrimer-assisted Construction of Boron Nitride Vertically Aligned Nacre-Mimetic Composites for Highly Thermally Conductive Thermal Interface Materials”為題發表在《Chemistry of Materials》上。文章第一作者是北京化工大學材料科學與工程學院博士生葉能，北京林業大學的李京超講師和北京化工大學的盧詠來教授為文章的通訊作者，該研究得到了北京市自然科學基金和國家自然科學基金等項目的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.3c00947

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（責任編輯：xu）

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