近日，我課題組師生在國際傳熱傳質(zhì)領(lǐng)域知名期刊International Communications in Heat and Mass Transfer（IF=5.683）上在線發(fā)表了題為“Paving 3D interconnected Cring-C3N4@rGO Skeleton for Polymer Composites with Efficient Thermal Management Performance yet High Electrical Insulation”的研究論文，該論文是以上海第二工業(yè)大學(xué)能源與材料學(xué)院教師李一凡為第一作者，上海第二工業(yè)大學(xué)徐海萍教授和于偉教授共同合作的成果。
圖文摘要
具有良好電氣絕緣性能的聚合物基熱界面材料是微電子器件熱管理的重要組成部分。提高聚合物固有導(dǎo)熱系數(shù)的一種常見方法是引入導(dǎo)熱填料。在大多數(shù)情況下，這些填料也是導(dǎo)電的，這破壞了原始的電絕緣性能。在本研究中，我們通過組裝圓形氮化碳(Cring-C3N4)和氧化石墨烯(GO)，開發(fā)了一種新型的異質(zhì)二維雜化填料，旨在通過Cring-C3N4獲得絕緣性能。組裝后的填料具有有序的三維互連結(jié)構(gòu)，板材尺寸增大，板材堆疊緊湊，有利于熱傳導(dǎo)。采用冰模板法進(jìn)一步布置填料，最大熱導(dǎo)率達(dá)到4.12 W/mK。同時(shí)，其導(dǎo)電性較低，為3.6ⅹ10?7 S/m，滿足大多數(shù)電氣絕緣要求。實(shí)際散熱性能測(cè)試結(jié)果表明，經(jīng)冰模板處理的復(fù)合材料的溫度變化率和可達(dá)到的最高溫度都較大，表明熱接觸電阻(TCR)的降低是復(fù)合材料熱傳導(dǎo)過程整體改善的原因。這一觀點(diǎn)在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和有限元數(shù)值模擬中均得到了證實(shí)。
圖1.圖文導(dǎo)讀
圖2.環(huán)氧樹脂/Cring-C3N4@rGO復(fù)合材料的化學(xué)轉(zhuǎn)變和制備過程
圖3. GO&Cring-C3N4納米片的微觀形貌和表征
圖4. GO骨架和Cring-C3N4@rGO骨架的截面SEM圖像
圖5.不同填充載荷下環(huán)氧樹脂/i-Cring-C3N4@rGO的熱物性和電絕緣性能測(cè)試
圖6. 環(huán)氧樹脂/i-Cring-C3N4@rGO的紅外熱成像和接觸熱阻測(cè)試
圖7. LED燈測(cè)試系統(tǒng)設(shè)置和TIMs模擬工況示意圖
小結(jié)
綜上所述，首先通過原位酰胺化合成了Cring-C3N4@rGO復(fù)合材料，形態(tài)表征證實(shí)了其3D互連結(jié)構(gòu)。環(huán)氧樹脂/Cring-C3N4@rGO復(fù)合材料通過冰模板法制備，內(nèi)部為取向填料。由于Cring-C3N4的引入，該復(fù)合材料顯示出3.6×10-7 S / m的低電導(dǎo)率，滿足了微電子器件中大多數(shù)絕緣要求的應(yīng)用。由于有序的3D互連結(jié)構(gòu)，它還具有4.12 W/mK的更高導(dǎo)熱性。此外，由冰模板化方法產(chǎn)生的更有序的結(jié)構(gòu)確保了其較低的接觸熱阻。進(jìn)一步的實(shí)際應(yīng)用證實(shí)，這種更高效的界面熱傳導(dǎo)帶來了出色的熱管理性能，這一點(diǎn)已從實(shí)驗(yàn)和仿真方面得到證明。我們的工作開發(fā)了一種具有高效熱管理性能和高電絕緣性的新型聚合物復(fù)合材料，更重要的是，揭示了TIM的導(dǎo)熱系數(shù)不是影響集成系統(tǒng)中熱傳導(dǎo)的核心因素。相反，應(yīng)該在界面熱傳導(dǎo)改進(jìn)方面投入更多精力，以便在實(shí)際的集成系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高效的熱管理性能。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2022.106147