中科院合肥研究院田興友研究員和張獻研究員團隊構筑高導熱聚酰亞胺柔性絕緣膜

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2021年6月29日 10:31

近期，中科院合肥研究院固體所高分子與復合材料研究部田興友研究員和張獻研究員團隊在高導熱聚酰亞胺柔性絕緣膜研究方面取得新進展，利用氮化碳在石墨烯上原位生長和“類落葉”策略實現(xiàn)高導熱聚酰亞胺柔性絕緣膜的構筑。相關研究成果以“Enhanced thermal conductivity of carbon nitride-doped graphene/polyimide composite film via a “deciduous-like” strategy”為題發(fā)表在材料科學TOP期刊Composites Science and Technology上。

電子產品的小型化和高密度集成化使其內部工作溫度急劇上升，過熱的工作環(huán)境會嚴重影響電子器件的可靠性和使用壽命。因此，為了保持電子器件的正常運行和長期穩(wěn)定，高效的熱管理是非常必要的。面對下一代電子產品更輕、更薄、可彎曲、可折疊甚至可穿戴的發(fā)展趨勢，開發(fā)高導熱的柔性聚合物薄膜材料已成為當前的研究熱點。

中科院合肥研究院田興友研究員和張獻研究員團隊構筑高導熱聚酰亞胺柔性絕緣膜的圖1

圖1. 氮化碳在rGO上原位生長和PI/rGO@CN復合膜制備過程示意圖。

鑒于此，研究團隊首先通過將氮化碳（CN）在石墨烯（rGO）上原位生長，獲得高導熱且電絕緣的rGO@CN復合導熱填料；進而采用“類落葉”策略實現(xiàn)低負載量的rGO@CN在聚酰亞胺(PI)膜中的分層構筑。相比于低添加量填料在聚合物基體中均勻分散、較難形成連續(xù)的導熱通路來說，分層結構在構筑連續(xù)的導熱通路方面有著獨特優(yōu)勢。當rGO@CN填充量為10 wt%時，復合薄膜面內導熱系數(shù)得到了顯著的提高，達到6.08 W·m^-1·K^-1，這主要是由于構筑了良好導熱通道以及CN與rGO之間良好的聲子譜匹配。此外，通過紅外熱成像技術探究PI/rGO@CN復合膜實際散熱效果，發(fā)現(xiàn)與純PI膜相比，PI/rGO@CN復合膜具有更加優(yōu)異的面內熱傳遞能力。氮化碳的引入，不僅抑制了rGO導電網絡的形成，且其表面豐富的活性基團使rGO@CN與PI基體間有良好的相容性，從而避免了填料團聚，這是構筑有序導熱通路的關鍵。該研究為工業(yè)生產高導熱聚酰亞胺柔性絕緣膜提供了新的思路。

中科院合肥研究院田興友研究員和張獻研究員團隊構筑高導熱聚酰亞胺柔性絕緣膜的圖2

圖2. （a）PI/rGO@CN復合膜在不同填料含量下的面內導熱率；（b）PI/rGO@CN復合膜的Foygel模型擬合；（c）CN和rGO的聲子譜；（d）rGO@CN傳熱模型圖；（e）GO@CN體系的穩(wěn)態(tài)溫度分布；（f）穩(wěn)態(tài)條件下的能量隨時間變化曲線；（g）PI/rGO@CN復合膜的熱傳遞示意圖。

該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、中科院STS重點項目和安徽省自然科學基金等多個項目的資助。

文章鏈接：

http://sciencedirect.com/science/article/pii/S026635382100049X

來源：中國科學院合肥物質科學研究院

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