热导率超商用硅脂三倍的各向同性高导热氮化硼复合材料

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背景介绍

随着集成电路的微型化，实现电子产品的高效散热成为电子器件发展需要解决的核心瓶颈问题之一。由于常见的高导热金属材料因其导电性而无法用于CPU、显卡等部件的散热，目前主要采用的是具有高导热率且绝缘的热界面材料（TIMs）。TIMs保证了平面垂直方向上的有效热传递及局部热量在水平方向上的快速扩散，同时，增强了热源和散热器粗糙和不均匀表面之间的热传递，在解决电子器件的散热方面起着关键作用。散热硅脂材料等商用热界面材料的热导率一般为12 Wm−1K−1，已经不能很好的满足高功率密度器件的有效散热需求。因此，提升热界面材料的导热性能仍然是一个挑战。

氮化硼（BN）纳米片具有超高的热导率、低密度和高电阻率，以 BN纳米片填充的聚合物基复合材料作为热界面材料已得到了广泛的研究。但是由于 BN纳米片固有的各向异性热性能（平面内热导率 400−2000 Wm−1K−1，垂直平面热导率为 30 Wm−1K−1），且 BN与聚合物难以有效构建三维导热网络，因此仍然很难在BN/聚合物复合材料中实现各向同性的超高导热率。

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成果掠影

浙江大学柏浩教授、高微微副教授合作，提出了一种改进的双向冻结技术来制备具有双轴定向导热网络的BN/聚氨酯（BN/PU）复合材料，该复合材料在80 vol% BN填充下表现出∼39.0Wm−1K−1的超高平面内热导率和∼11.5Wm−1K−1的垂直平面热导率。由于冰晶束缚作用，BN/PU悬浮液被组装成网络，形成一种具有桥连的层状结构，经过热压可得到致密的BN/PU复合材料。该方法克服了各向异性 BN基复合材料在某一方向导热系数的增强往往会牺牲另外一个方向的导热系数的问题。基于此复合材料制备的热界面材料比商业产品具有更优越的冷却效率，芯片实际温度降低了15°C，在1000次加热和冷却循环后仍保持良好的热稳定性。研究提供了一种开发先进热界面材料的有效途径，能够满足先进电子、可穿戴电子等新兴领域的产品对高性能热界面材料的巨大需求。研究成果以“Isotropically Ultrahigh Thermal Conductive Polymer Composites by Assembling Anisotropic Boron Nitride Nanosheets into a Biaxially Oriented Network”为题发表于《ACS Nano》期刊。

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图文导读

具有双向定向网络的BN/PU复合材料的制备流程。

具有单轴定向网络的BN/PU复合材料的结构与热性能。

不同结构的BN/PU复合材料的热性能。

BN/PU复合材料热性能的控制。

BN/PU复合材料作为TIM的应用演示。

审核编辑 ：李倩