一種用于電子器件智能熱管理的高導熱納米復合材料

熱管理博覽會

2023年9月5日 09:12

來源 | Nano-Micro Letters

背景介紹

具有層狀結構的碳纖維復合材料以其特殊的各向異性、高強度在工程相關領域受到了廣泛關注。特別是在散熱方面，層狀結構促進了聲子沿徑向的良好運輸，使熱在平面內快速傳播。與其他熱導體相比，這種獨特的結構特征在水平散熱方面具有壓倒性的優勢，使其非常適合小型化、薄化和平面化器件。

盡管在增強面內導熱系數以及柔韌性和延展性方面取得了許多突破，但幾乎所有的導熱人造珍珠石都缺乏足夠的粘附性。因此，它們依靠銀漿或環氧膠粘劑作為熱界面材料(TIMs)來連接設備進行冷卻，而不是自粘，這不可避免地導致界面不匹配和長使用壽命下的膠水脫落的問題。

此外，大多數復合材料具有高強度，但缺乏拉伸性和彈性，將本質上堅韌的珠層和高粘彈性結合在一種材料中似乎是矛盾的，這在自然界中并不存在。然而，這也為新型的類似珍珠的復合材料設計提供了一個機會，以繞過通常的“硬/軟”權衡，使其成為此類應用的有吸引力的選擇。

先進的散熱材料除了具有高導熱性、重量輕、可變形等傳統特性外，還具有自愈能力、熱響應性和溫度傳感能力等多種功能。然而，將這些屬性結合成一種類似珍珠的復合材料是一項艱巨的任務。然而，在不影響復合材料其他功能的情況下提高導熱性仍然是一個挑戰。

成果掠影

近期，迪肯大學前沿材料研究所類偉巍教授、新加坡高性能計算研究所張剛教授、四川大學高分子材料工程國家重點實驗室趙長生教授、迪肯大學前沿材料研究所Liu Dan和陜西科技大學教授安盟在針對具有一定柔性、彈性和粘性用于電子產品散熱的導熱材料取得新進展。該文通過水真空過濾(VAF)，將水分散自愈聚氨酯(W-SPU)、功能化BNNS和熱致變色分子(TCMs)合理組裝，設計了一種既具有珍珠狀結構又具有粘彈性的軟性熱致變色復合材料(STC)。實驗結果顯示該材料具有高的面內導熱系數(~30 W/mK)，低熱接觸電阻(~12 mm² K W^-1，比銀漿低4-5倍)，強而持久的附著力(~4607 J/m²，比環氧漿大2220 J/m²)和自修復效率。作為一種自粘式散熱器，它可以實現了各種電子設備的有效冷卻，溫度比聚酰亞胺外殼低20°C。除了具有自我修復功能外，STC的變色龍行為有助于肉眼監測溫度，從而實現智能熱管理。研究成果以“A Thermochromic, Viscoelastic Nacre?like Nanocomposite for the Smart Thermal Management of Planar Electronics ”為題發表于《Nano-Micro Letters》。

圖文導讀

一種用于電子器件智能熱管理的高導熱納米復合材料的圖3

圖1.(a)基于VAF策略的W-SPU、BNNS和TCM組成的STC膜及其在平面電子/電路中的應用照片和原理圖,插圖展示了STC膜的柔韌性和接觸角,(b)熱致變色STC油墨照片,(c)具有熱致變色性能的STC膜照片,(d)STC膜的自粘拉伸應力照片,(e)顯示STC膜自愈特性的照片(切片染成紅色和藍色),(f )STC-2膜在折疊過程中顏色穩定變化的照片,(g)照片顯示了STC膜自粘附在軟底(上)和自修復(下)的優異熱致變色性能,(h) TIM復合膜截面的SEM圖像。

一種用于電子器件智能熱管理的高導熱納米復合材料的圖4

圖2.(a)不同STC膜的拉伸應力(1:圖片顯示STC-2的伸長率),(b) STC-2的拉應力和自愈性能,(c) STC-2與W-SPU/BNNS-2的拉應力比較,(d) W-SPU和STC-2的DMA,(e)自愈后S在STC中的XPS,(f)優化了STC和W-SPU/BNNS的結構模擬和分子吸附能計算,(g) 3550 ~ 3100 cm?1范圍內STC的二維COS同步和異步光譜,(h) STC在1725 ~ 1500 cm?1范圍內的二維COS同步和異步光譜。(暖色(紅色)代表正強度，而冷色(藍色)代表負強度),(i) STC-2單軸拉伸至300%前后的SAXS圖像,(j) STC-2的劃痕自愈過程光學圖像,(k) STC-2自愈后劃痕的SEM圖像,放大后的掃描電鏡圖像突出顯示了完整納米片網絡的表面積。

一種用于電子器件智能熱管理的高導熱納米復合材料的圖5

圖3.(a)照片顯示STC-2膜在各種襯底上具有優異的自粘性,(b)自粘STC-2膜修復底物的照片,(c)照片和SAXS圖像顯示拉伸后界面的良好粘附性,(d)自粘STC-2膜與襯底界面的SEM圖像,(e)環氧漿料、STC-2、W-SPU及3。1:圖中為STC-2從基材上剝離(f) STC-2接觸分離1000次后的附著力(I-III:測試過程照片),(g)不同試樣的摩擦系數。不同樣品的H值,(i) 自愈后STC-2的,(j) 25°~ 70°范圍內溫度循環性(I:表面BNNS的SEM圖像，比尺:200 nm)。

一種用于電子器件智能熱管理的高導熱納米復合材料的圖6

圖4.(a)不同材料間的衰減系數和阻尼損失系數的比較,(b)目前報道的聚合物復合材料的比較,(c)不同TIMs下STC-2的Rc和填料壓力比較。

一種用于電子器件智能熱管理的高導熱納米復合材料的圖7

圖5.(a)在環氧膠粘劑中嵌入Al薄膜的界面熱阻分子動力學模擬系統(粉紅色)，(b) W-SPU/TCM(藍色表示W-SPU，黃色和淡紫色表示TCM分子)，(c) STC-2(青色表示BNNS),Al薄膜和三種聚合物體系的溫度和能量演化,(g) Al薄膜與環氧漿料的界面熱阻，W-SPU/TCM, STC-2兩種材料在這兩個界面處的VPS重疊,(h)三種界面體系中材料的VPS,(i) STC-2系統中各部件的VPS。

一種用于電子器件智能熱管理的高導熱納米復合材料的圖8