來源 | Composites Part A

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背景介紹

隨著智能時代和第五代(5G)移動網絡的蓬勃發展，大數據、人工智能、智能設備等行業正朝著集成化、輕量化、小型化方向發展。然而，5G技術的嵌入導致智能設備的功率密度爆炸式增長，過多的熱量積累會降低芯片的工作效率，甚至加速老化。通過熱界面材料(TIMs)對芯片進行有效的熱管理是改善散熱的有效措施。

聚合物基TIM因其優異的電絕緣性能、輕量化和高穩定性而受到廣泛關注。與普通熱塑性材料相比，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)由于分子量和纏結大，不存在粘性流動。即使在芯片過熱的極端情況下，基于UHMWPE的TIMs也不會因為熔體流動而對電子元件造成不可逆的損壞，但是其粘度阻礙了基于UHMWPE的復合材料的制造。

雖然石墨、石墨烯、碳納米管(CNTs)、碳纖維、銀顆粒、銀納米線、銅納米線具有較高的導熱性，但其較差的絕緣特性阻礙了TIMs在芯片封裝領域的推廣應用。氮化硼(BN)在陶瓷填料中導熱系數最高(>250 W/mK)，具有良好的電絕緣性和較低的成本。因此具有制備各向異性復合材料的優勢。

制備取向復合材料的傳統方法，如化學氣相沉積、磁場或電場、冷凍鑄造和真空過濾等，通常效率低下。此外，填料互連性低和三維導熱網絡的結構缺陷嚴重限制了復合材料導熱性能的提高。因此，有必要探索高效的成型方法來制備具有高導熱性的BN/UHMWPE復合材料。

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成果掠影

近期，華南理工大學機械與汽車工程學院高分子材料先進制造技術與裝備研究所馮彥洪教授在制備具有取向性的導熱材料取得新進展。本研究采用偏心轉子固體擠出機，在低于UHMWPE基體熔化溫度125℃的溫度下，建立定向偏析三維導熱網絡，制備了BN/UHMWPE取向高導熱復合材料。制備的復合材料具有高取向性(取向因子0.826)、高導熱性(6.25 W/mK)、優異的電絕緣性和熱穩定性，以及在29.2 vol% BN負載下的優異成本效益，對電子封裝應用具有吸引力。此外，我們提出了蜂窩導熱模型，可以精確計算取向偏析復合材料的理論導熱系數。本研究通過粉末固態擠壓構建定向三維導熱網絡，為制備高導熱聚合物基熱界面材料(TIMs)提供了一種具有前瞻性和可靠性的策略。研究成果以“Efficient preparation of BN/UHMWPE composites with oriented thermal conductivity by powder solid-state extrusion ”為題發表于《Composites Part A》。

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圖文導讀

圖1.復合材料的制備方法。

圖2.復合材料的SEM圖。

圖3.材料的結構表征。

圖4.復合材料的導熱系數、導熱通路、界面熱阻、體積電阻率、硬度對比。

圖5.復合材料的熱管理性能。

END

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