​西安交大/南科大汪宏教授課題組:化肥妙用,構建3D氮化硼泡沫填充的環氧樹脂復合材料實現高效熱管理

隨著電子器件不斷向小型化、集成化和多功能化的方向發展,其功率密度不斷增加,單位體積的發熱量越來越大。

電子元器件工作時產生的熱量,是影響電子元器件性能和使用壽命的關鍵因素,散熱問題已經成為制約微電子器件和系統發展和應用的瓶頸。

尤其是隨著5G和自動駕駛技術的快速佈局,對熱管理材料又提出瞭新的挑戰。

用於5G基站和自動駕駛雷達上的基板材料要求同時具有高的熱導率,低的介電常數和介電損耗。

傳統通過向聚合物基體添加隨機分散的導熱填料的方法不僅不能有效增加熱導率,還會極大增加復合材料的介電常數和介電損耗。

​西安交大/南科大汪宏教授課題組:化肥妙用,構建3D氮化硼泡沫填充的環氧樹脂復合材料實現高效熱管理

針對上述問題,汪宏教授課題組采用NH4HCO3作為犧牲材料,提出瞭一種簡便且通用的方法來構造三維氮化硼泡沫(3D-BN),再通過環氧樹脂填充3D-BN獲得復合材料。該復合材料不僅采用的方法簡單,且可以大大提高復合材料的熱導率。所制備的復合材料的縱向熱導率最高可達6.11 W m-1 K-1。作者通過有限元方法進行瞭進一步分析表明,高導熱率歸因於3D-BN泡沫,其中BN泡沫僅由片狀氮化硼組成,氮化硼與氮化硼在壓力下緊密連接,其在復合材料中能夠提供聲子傳輸的快速通道。該復合材料同時具有優異的絕緣性能,低的介電常數和介電損耗。

​西安交大/南科大汪宏教授課題組:化肥妙用,構建3D氮化硼泡沫填充的環氧樹脂復合材料實現高效熱管理

通常提高聚合物材料熱導率的方法是將具有高熱導率的填料加入到聚合物基體中來制備導熱復合封裝材料。

然而,由於聚合物基體和導熱填料之間存在較高的界面熱阻,簡單的填充並不能有效地增加復合材料的熱導率。在這種情況下,隻有不斷提高填料的體積分數才能獲得理想的熱導率,但是過高的填料比會增加復合材料的介電常數,惡化材料的機械性能。

本研究工作中,通過對導熱填料BN和熱解材料NH4HCO3兩種固體顆粒粒徑的選擇和調控來實現對三維網絡骨架的有效構建,當熱解材料和導熱填料的粒徑比在8倍及以上時,兩種大小差異明顯的材料在混合過程中可以實現結構的有效裝配,導熱填料的小顆粒會吸附包圍於熱解材料的大顆粒表面,這樣,在進行加壓處理時,壓力會主要集中到粒徑較小的導熱填料上,通過加壓可以增強作為三維骨架的導熱填料之間的相互接觸,進一步減小填料之間的界面熱阻,進一步加熱可以使得NH4HCO3分解,從而得到氮化硼泡沫,該泡沫能夠為環氧樹脂填充後的三維結構復合材料提供高效的聲子傳輸通道。

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同時該工作還采用有限元模擬深入分析瞭熱導率的增長機理,為有效提高熱導率提供瞭新的理論依據。

作者發現,和隨機填充導熱填料不同的是,當采用三維導熱填料網絡,復合材料的熱導率將會隨導熱填料的熱導率上升而線性上升。

而隨機填充時,當導熱填料的熱導率上升到一定程度之後,單純靠提升填料的熱導率並不能大幅度提高復合材料的熱導率。

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該研究工作以“3D boron nitride foam filled epoxy composites with significantly enhanced thermal conductivity by a facial and scalable approach”為題發表在國際化學工程領域頂級期刊Chemical Engineering Journal(實時影響因子10.83),該工作第一作者為西安交大微電子學院博士生徐信未,通訊作者為南方科技大學講席教授汪宏。西安交通大學為第一單位,南方科技大學與美國賓州州立大學為本文合作單位。該工作得到深圳市科技計劃(孔雀團隊和基礎研究計劃)、深圳市工程實驗室項目的支持。

論文鏈接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S138589472031439X?via%3Dihub

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