氮化硼纳米片增强聚乙烯热界面材料

来源 | Polymer

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背景介绍

随着现代社会消费者对便携式电子设备的需求不断增加，电子设备向着更小、更轻、多功能的方向发展。因此电子元件的高度集成度导致电子电路中单个元件产生的热量越来越多，散热问题面临一系列挑战。在实际工作状态下，如果废热不能及时排除，集中的高温会对电子电路中的元器件造成重大损坏，是造成器件故障的主要原因，对电子产品的耐用性产生不利影响。

热界面材料(TIMs)是有效转移或去除电子器件废热以避免器件因工作在过热条件下而发生故障的重要和不可或缺的材料。然而，为了填充散热器与TIM接触面之间的细小气隙，需要在高压下进行压缩过程，这可能会破坏电子电路的组件，无法完全填充大的气隙。

热熔胶(HMA)由于其能够与大多数材料快速而牢固地结合，并且与其他TIMs相比易于操作，近年来作为解决上述问题的材料而引起了人们的关注。此外，在融化过程中，HMA具有高流动特性，可以充分填充散热片接触面存在的气隙，提高传热效率，这是一个优势，可以大大提高器件的性能和耐用性。

低密度聚乙烯(LDPE)因其优异的绝缘性能、较高的机械强度和良好的循环利用性能，是目前极具吸引力的HMA型TIMs聚合物基体之一。然而，尽管其具有优良的机械和化学性能，以及方便的操作过程，但其低的通平面导热系数和较差的形状稳定性阻碍了其作为TIM的实际应用可能性。

因此，许多研究开发了LDPE与六方氮化硼纳米片(BNNS)相结合的高导热复合材料，以在熔体粘附过程中实现高导热和形状稳定。然而，较强的化学键和强的范德华力会导致BNNS与LDPE的相容性较低，从而导致BNNS与LDPE界面处的相分离和重新聚集。因此，由于这些问题引起的热阻增加，这可能会大大降低制备好的BNNS/LDPE复合材料的热导率。如何解决BNNS与LDPE界面热阻的问题是合成TIMs材料的关键问题。

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成果掠影

韩国的Joong Hee Lee教授 和Ok-Kyung Park教授联合在关于BNNS/LDPE聚合物复合材料的界面热阻问题方向取得新进展。该团队报道了一种有效的合成方法，通过与短PE链支化氮化硼纳米片(BNNS)杂化制备低密度聚乙烯(LDPE)基多功能复合材料，用于高性能热熔胶(HMA)型热界面材料(TIM)。为了提高BNNS/LDPE的热力学性能，通过硝基偶联反应，对BNNS表面进行了短PE链(PE-g-BNNS)的改性，提高了BNNS与LDPE之间的界面结合力。

结果表明，与BNNS/LDPE相比，PE-g-BNNS /LDPE的平面导热系数提高了22%，垂直面内导热系数提高了66%。与纯LDPE相比，其热辐射性能也提高了约11%。此外，与纯LDPE相比，PE-g-BNNNS /LDPE的抗拉强度提高了66%，模量提高了350%，表明PE-g-BNNNS /LDPE可以作为TIM来满足高科技电子器件的应用要求。

研究成果以“Boron nitride nanosheet reinforced polyethylene nanocomposite film for high-performance hot-melt adhesive type thermal interfacial material”为题发表于《Polymer》。

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图文导读

图1. 膜材料制备工艺示意图。

图2. 材料的结构以及物理特性。

图3. PE-g-BNNS的XPS能谱图。

图4.BNNS和 PE–g–BNNS微观结构示意图。

图5. 复合材料的机械性能和导热系数。

图6. 复合材料的热管理性能和截面结构示意图。

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