來源 | ACS Applied Materials Interfaces

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背景介紹

隨著現代智能電子和通信技術的迅猛發展，開發具有高功率密度和小型化的新型電子器件成為人們研究的熱點。聚合物基復合材料具有易于加工、良好的電絕緣性和良好的化學穩定性，是新型設備中應用最多的材料。然而，聚合物基復合材料的低導熱性和高溫穩定性差限制了其應用范圍為了獲得更高的散熱能力，添加具有高導熱性的碳材料(如石墨烯)或無機材料(如氧化鋁和氮化硼)等填料是一種優化方法。

六方氮化硼納米片(BNNSs)的寬禁帶(5 ~ 6 eV)、類石墨結構和穩定的結晶度使其具有高導熱性、優異的電絕緣性能和優異的熱穩定性。然而，制備具有高導熱性的BNNS/聚合物復合材料通常采用共混方法，這不僅需要大量填充劑，而且會導致復合材料的機械和電氣絕緣性能惡化。通過對BNNS表面的功能化、聚合物的改性和微觀結構的設計等方面的努力，已被用于解決這一問題其中，微結構設計是一種有效的方法。

例如，通過使用添加劑(如聚乙烯醇(PVA)和纖維素納米纖維(CNF))，將BNNS構建成三維(3D)各向異性結構，構建定向導熱網絡結構，可以極大地提高環氧樹脂(EP)基復合材料的導熱性。增強的主要原因是緊密連接的BNNS形成的有序結構減小了界面熱阻和聲子散射。然而，這種3D各向異性結構的構建往往需要特定的條件，從而導致成本增加和影響大規模應用。因此，創建一種更有效的方法來構建具有更好結構的三維各向異性BNNS骨架是至關重要的。

2011年，Kotov的團隊通過在強極性堿性溶劑中分解宏觀的對芳綸纖維，獲得了芳綸納米纖維(ANFs)高比表面積的特性賦予了ANF優異的可加工性，使其成為一種很有前途的納米材料。ANF優異的可加工性吸引了眾多研究者關注于各種功能材料的設計，如電磁干擾屏蔽材料、電池隔膜材料、絕緣材料、傳感器材料和結構材料。使用ANF作為骨架材料構建高度各向異性的3D有序BNNS結構，用于制備高導熱聚合物復合材料是一種替代且更簡單的方法。

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成果掠影

近期，中國科學院大學黃榮進教授聯合清華大學庹新林研究員在制備具有三維(3D)導熱結構的復合材料方面取得最新進展。

該團隊提出利用聚合誘導的對芳綸納米纖維(PANF)的框架形成特性和六方氮化硼納米片(BNNS)的高導熱性，通過簡單的真空輔助自堆疊方法成功制備了三維層壓的PANF- BNNS氣凝膠，該氣凝膠可作為環氧樹脂(EP)的導熱骨架。在所制備的PANF-BNNS/EP納米復合材料中，13.2%的BNNS負載時，其導熱系數為3.66 W/mK。通過有限元分析驗證了熱傳導路徑的有效性。PANF-BNNS/EP納米復合材料表現出出色的實用熱管理能力，優異的熱穩定性，低介電常數和介電損耗，使其成為電子封裝應用的可靠材料。本研究也為三維各向異性高效導熱網絡結構的簡單制造提供了一種有潛力和可推廣的策略。

研究成果以“Self-Stacked 3D Anisotropic BNNS Network Guided by Para-AramidNanofibers for Highly Thermal Conductive Dielectric Nanocomposites ”為題發表于《ACS Applied Materials Interfaces》。

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圖文導讀

圖1.PANF-BNNS/EP納米復合材料制備示意圖。

圖2.PANF-BNNS/EP納米復合材料的光學照片和SEM示意圖。

圖3.PANF-BNNS/EP納米復合材料的熱導率以及傳熱的模擬示意圖。

圖4.PANF-BNNS/EP納米復合材料的熱管理性能。

END

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