隨著現(xiàn)代大功率器件向小型化、高集成化、多功能化方向發(fā)展，積熱與散熱問題已成為制約其進(jìn)一步提高可靠性和使用壽命的主要因素。柔性聚合物復(fù)合薄膜在電子系統(tǒng)散熱中發(fā)揮著越來越重要的作用。然而，室溫下導(dǎo)熱系數(shù)在0.1 ~ 0.5 W/(m K)之間的純聚合物無法滿足要求。

到目前為止，與結(jié)構(gòu)復(fù)雜、合成工藝復(fù)雜的導(dǎo)電聚合物相比，高導(dǎo)熱填料復(fù)合材料因其簡單有效而得到了廣泛的應(yīng)用。采用氧化鋁、石墨烯(G)、碳化硅和六方氮化硼(h-BN)等多種導(dǎo)電填料增強(qiáng)聚合物基體的導(dǎo)熱系數(shù)。其中，氮化硼納米片(BNNSs, 導(dǎo)熱系數(shù)為400.0 W/(m K)，楊氏模量為865 (GPa)是典型的二維材料，因其低滲透閾值和高縱橫比而備受關(guān)注。

然而，由于隨機(jī)分散的BNNSs或部分定向的BNNSs無法將其各向異性的優(yōu)勢發(fā)揮到最高水平，復(fù)合膜通常表現(xiàn)出中等的導(dǎo)熱系數(shù)，與理論預(yù)測相差甚遠(yuǎn)。因此，高導(dǎo)熱系數(shù)的氮化硼基柔性聚合物薄膜的制備仍是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

近期，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的虞錦洪教授、香港理工大學(xué)徐林麗教授和中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所李勇教授取得新進(jìn)展。本文提出了一種基于燃燒合成技術(shù)的快速高產(chǎn)方法，將BNNSs與石墨烯(G)緊密結(jié)合作為雜化填料，將G原位生長在BNNSs的表面和層間，形成特殊的G@BNNS異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。

由G@BNNS填料和纖維素納米纖維(CNF)基質(zhì)經(jīng)過濾制成的可折疊導(dǎo)熱復(fù)合薄膜，其面內(nèi)和面外導(dǎo)熱系數(shù)分別為125.0和2.1 W/(mK)。如此高的導(dǎo)熱系數(shù)是由于G與BNNSs的作用降低了界面熱阻。利用該復(fù)合薄膜作為散熱片，可以在大功率LED器件中有效地進(jìn)行高功率條件下的多次循環(huán)散熱，并且可以在平面方向上均勻散熱。

研究結(jié)果表明，G@BNNS/CNF薄膜既能滿足現(xiàn)代電子器件的維護(hù)性能，又能滿足熱管理的散熱要求。研究成果以“Significantly thermally conductive cellulose composite film with graphene/boron nitride heterojunction structure achieved by combustion synthesis ”為題發(fā)表于《Composites Communications》。

圖1(a)復(fù)合膜的制備示意圖，(b) BNNS/CNF、BNNS + G/CNF和G@BNNS/CNF薄膜的可彎曲性、可折疊性和柔韌性照片，(c-e) BNNS/CNF、BNNS + G/CNF和G@BNNS/CNF薄膜的SEM截面圖，(f) O1s XPS高分辨率光譜，(G) XRD譜圖，(h) TG曲線

圖2(a)復(fù)合膜的制備示意圖，(b) BNNS/CNF、BNNS + G/CNF和G@BNNS/CNF薄膜的可彎曲性、可折疊性和柔韌性照片，(c-e) BNNS/CNF、BNNS + G/CNF和G@BNNS/CNF薄膜的SEM截面圖，(f) O1s XPS高分辨率光譜，(G) XRD譜圖，(h) TG曲線

圖3復(fù)合膜的熱輸運(yùn)性能;(a)面內(nèi)(b)面外導(dǎo)熱系數(shù)，(c)與純CNF膜相比的TC增強(qiáng)，(d) G@BNNS/CNF膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，(e)添加1 wt% G@BNNS或其他無機(jī)填料對CNF基復(fù)合材料TC增強(qiáng)效率的比較，(f) G@BNNS/CNF膜循環(huán)加熱和冷卻后的面內(nèi)和(g)面外導(dǎo)熱系數(shù)，(h)文獻(xiàn)報(bào)道與本文的面內(nèi)、面外導(dǎo)熱系數(shù)比較

圖4不同復(fù)合膜的實(shí)際應(yīng)用;(a)大功率LED模組散熱測試系統(tǒng)的搭建，(b)固定時(shí)間的紅外圖像及對應(yīng)的中心溫度，(c)采用各種復(fù)合薄膜作為散熱片的LED芯片中心溫度隨運(yùn)行時(shí)間的變化，(d)三種復(fù)合薄膜圍繞100 s時(shí)的度變化








審核編輯：劉清