一种用于电子器件智能热管理的高导热纳米复合材料

热管理博览会 2023年9月5日浏览：859

来源 | Nano-Micro Letters

背景介绍

具有层状结构的碳纤维复合材料以其特殊的各向异性、高强度在工程相关领域受到了广泛关注。特别是在散热方面，层状结构促进了声子沿径向的良好运输，使热在平面内快速传播。与其他热导体相比，这种独特的结构特征在水平散热方面具有压倒性的优势，使其非常适合小型化、薄化和平面化器件。

尽管在增强面内导热系数以及柔韧性和延展性方面取得了许多突破，但几乎所有的导热人造珍珠石都缺乏足够的粘附性。因此，它们依靠银浆或环氧胶粘剂作为热界面材料(TIMs)来连接设备进行冷却，而不是自粘，这不可避免地导致界面不匹配和长使用寿命下的胶水脱落的问题。

此外，大多数复合材料具有高强度，但缺乏拉伸性和弹性，将本质上坚韧的珠层和高粘弹性结合在一种材料中似乎是矛盾的，这在自然界中并不存在。然而，这也为新型的类似珍珠的复合材料设计提供了一个机会，以绕过通常的“硬/软”权衡，使其成为此类应用的有吸引力的选择。

先进的散热材料除了具有高导热性、重量轻、可变形等传统特性外，还具有自愈能力、热响应性和温度传感能力等多种功能。然而，将这些属性结合成一种类似珍珠的复合材料是一项艰巨的任务。然而，在不影响复合材料其他功能的情况下提高导热性仍然是一个挑战。

成果掠影

近期，迪肯大学前沿材料研究所类伟巍教授、新加坡高性能计算研究所张刚教授、四川大学高分子材料工程国家重点实验室赵长生教授、迪肯大学前沿材料研究所Liu Dan和陕西科技大学教授安盟在针对具有一定柔性、弹性和粘性用于电子产品散热的导热材料取得新进展。该文通过水真空过滤(VAF)，将水分散自愈聚氨酯(W-SPU)、功能化BNNS和热致变色分子(TCMs)合理组装，设计了一种既具有珍珠状结构又具有粘弹性的软性热致变色复合材料(STC)。实验结果显示该材料具有高的面内导热系数(~30 W/mK)，低热接触电阻(~12 mm² K W^-1，比银浆低4-5倍)，强而持久的附着力(~4607 J/m²，比环氧浆大2220 J/m²)和自修复效率。作为一种自粘式散热器，它可以实现了各种电子设备的有效冷却，温度比聚酰亚胺外壳低20°C。除了具有自我修复功能外，STC的变色龙行为有助于肉眼监测温度，从而实现智能热管理。研究成果以“A Thermochromic, Viscoelastic Nacre‑like Nanocomposite for the Smart Thermal Management of Planar Electronics ”为题发表于《Nano-Micro Letters》。

图文导读

一种用于电子器件智能热管理的高导热纳米复合材料的图3

图1.(a)基于VAF策略的W-SPU、BNNS和TCM组成的STC膜及其在平面电子/电路中的应用照片和原理图,插图展示了STC膜的柔韧性和接触角,(b)热致变色STC油墨照片,(c)具有热致变色性能的STC膜照片,(d)STC膜的自粘拉伸应力照片,(e)显示STC膜自愈特性的照片(切片染成红色和蓝色),(f )STC-2膜在折叠过程中颜色稳定变化的照片,(g)照片显示了STC膜自粘附在软底(上)和自修复(下)的优异热致变色性能,(h) TIM复合膜截面的SEM图像。

一种用于电子器件智能热管理的高导热纳米复合材料的图4

图2.(a)不同STC膜的拉伸应力(1:图片显示STC-2的伸长率),(b) STC-2的拉应力和自愈性能,(c) STC-2与W-SPU/BNNS-2的拉应力比较,(d) W-SPU和STC-2的DMA,(e)自愈后S在STC中的XPS,(f)优化了STC和W-SPU/BNNS的结构模拟和分子吸附能计算,(g) 3550 ~ 3100 cm−1范围内STC的二维COS同步和异步光谱,(h) STC在1725 ~ 1500 cm−1范围内的二维COS同步和异步光谱。(暖色(红色)代表正强度，而冷色(蓝色)代表负强度),(i) STC-2单轴拉伸至300%前后的SAXS图像,(j) STC-2的划痕自愈过程光学图像,(k) STC-2自愈后划痕的SEM图像,放大后的扫描电镜图像突出显示了完整纳米片网络的表面积。

一种用于电子器件智能热管理的高导热纳米复合材料的图5

图3.(a)照片显示STC-2膜在各种衬底上具有优异的自粘性,(b)自粘STC-2膜修复底物的照片,(c)照片和SAXS图像显示拉伸后界面的良好粘附性,(d)自粘STC-2膜与衬底界面的SEM图像,(e)环氧浆料、STC-2、W-SPU及3。1:图中为STC-2从基材上剥离(f) STC-2接触分离1000次后的附着力(I-III:测试过程照片),(g)不同试样的摩擦系数。不同样品的H值,(i) 自愈后STC-2的,(j) 25°~ 70°范围内温度循环性(I:表面BNNS的SEM图像，比尺:200 nm)。

一种用于电子器件智能热管理的高导热纳米复合材料的图6

图4.(a)不同材料间的衰减系数和阻尼损失系数的比较,(b)目前报道的聚合物复合材料的比较,(c)不同TIMs下STC-2的Rc和填料压力比较。

一种用于电子器件智能热管理的高导热纳米复合材料的图7

图5.(a)在环氧胶粘剂中嵌入Al薄膜的界面热阻分子动力学模拟系统(粉红色)，(b) W-SPU/TCM(蓝色表示W-SPU，黄色和淡紫色表示TCM分子)，(c) STC-2(青色表示BNNS),Al薄膜和三种聚合物体系的温度和能量演化,(g) Al薄膜与环氧浆料的界面热阻，W-SPU/TCM, STC-2两种材料在这两个界面处的VPS重叠,(h)三种界面体系中材料的VPS,(i) STC-2系统中各部件的VPS。

一种用于电子器件智能热管理的高导热纳米复合材料的图8