一種具有高導(dǎo)熱和絕緣性的PBO納米復(fù)合材料

熱管理博覽會(huì)

2024年1月25日 09:02

來(lái)源 | Nano-Micro Letters

背景介紹

導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合紙由于具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)熱性和優(yōu)異的可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，在鋰電池、電容器、集成電路等領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。隨著小型化和集成化的快速發(fā)展，以及功率密度的不斷提高，電子器件和電氣設(shè)備內(nèi)部的熱量積聚問(wèn)題日益嚴(yán)重，這就對(duì)導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合紙的導(dǎo)熱性和耐熱性提出了更高的要求。此外，為了避免微電子元件之間形成短路電流和信號(hào)相互干擾，聚合物基復(fù)合紙應(yīng)具有優(yōu)異的電絕緣性，以滿足實(shí)際電子工程中的應(yīng)用。雖然導(dǎo)熱聚合物基體(聚四氟乙烯、聚酰亞胺、芳綸和纖維素納米纖維等)復(fù)合紙由于其成本低、加工工藝簡(jiǎn)單，但其本身耐熱性差或機(jī)械性能差，在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。或者低導(dǎo)熱率限制了它們的應(yīng)用，不再保證高端電子電器熱管理領(lǐng)域的穩(wěn)定性和可靠性。

在已知的有機(jī)纖維中，PBO纖維具有最高的熱分解溫度(650℃)、最佳的拉伸強(qiáng)度(5.8 GPa)和拉伸模量(280 GPa)，被譽(yù)為21世紀(jì)的超級(jí)纖維。最近的研究表明，通過(guò)有機(jī)酸剝離得到的PBO納米纖維(PNF)可以保留PBO纖維優(yōu)異的力學(xué)性能和耐熱性。此外，它們的內(nèi)部含有高度定向的分子鏈和原始結(jié)晶度，具有比普通聚合物基體更好的導(dǎo)熱性，在導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合紙領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景

成果掠影

近期，西北工業(yè)大學(xué)顧軍渭/重慶師范大學(xué)Tang Yusheng團(tuán)隊(duì)通過(guò)“溶膠-凝膠”薄膜轉(zhuǎn)化工藝將表面功能化的氮化硼(m-BN)與聚對(duì)苯撐苯并二噁唑納米纖維(PNF)均勻復(fù)合，制備出仿貝殼珍珠層結(jié)構(gòu)的m-BN/PNF納米復(fù)合紙。本文采用“高溫固相&重氮鹽分解”法制備了聯(lián)苯胺功能化氮化硼(m-BN)。隨后，通過(guò)溶膠-凝膠膜轉(zhuǎn)化法制備了m-BN/聚(苯并苯并異惡唑)納米纖維(PNF)納米復(fù)合紙。由于m-BN和PNF之間存在廣泛的氫鍵和π -π相互作用，以及穩(wěn)定的模擬納米層狀結(jié)構(gòu)，所獲得的m-BN/PNF納米復(fù)合紙具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性、令人難以置信的電絕緣性、出色的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性。其λ∥和λ⊥分別為9.68和0.84 W/mK，體積電阻率和擊穿強(qiáng)度分別高達(dá)2.3× 10¹⁵ Ω.m和324.2 kV/mm。此外，其抗拉強(qiáng)度高達(dá)193.6 MPa，熱分解溫度高達(dá)640℃，在電子器件、電氣設(shè)備等高端熱管理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。研究成果以“Flexible and Robust Functionalized Boron Nitride/Poly(p-Phenylene Benzobisoxazole) Nanocomposite Paper with High Thermal Conductivity and Outstanding Electrical Insulation”為題發(fā)表在《Nano-Micro Letters》。

圖文導(dǎo)讀

圖1. m-BN/PNF納米復(fù)合紙的制備示意圖及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。m-BN/PNF納米復(fù)合紙的制備示意圖(a)；PBO纖維的掃描電鏡和光學(xué)照片(b)；PNF分散液轉(zhuǎn)化為m-BN/PNF溶膠的過(guò)程以及PNF的透射電鏡照片(c, d)；m-BN/PNF凝膠及其截面掃描電鏡照片(e, f)；m-BN與PNF相互作用的機(jī)理圖(g)；m-BN/PNF納米復(fù)合紙展現(xiàn)出柔性和耐折疊性的照片及其截面掃描電鏡照片(h, i)。

圖2. m-BN/PNF納米復(fù)合紙的導(dǎo)熱性能和耐熱性能。m-BN/PNF納米復(fù)合紙的λ∥(a)和λ⊥(b)；m-BN/PNF-50納米復(fù)合紙?jiān)诩訜犭娮柚袦囟入S時(shí)間變化曲線(c)及相應(yīng)紅外熱成像圖(c’)；m-BN/PNF-50納米復(fù)合紙?jiān)阡囯x子電池充放電過(guò)程的溫度隨時(shí)間變化曲線(d)及相應(yīng)的紅外熱成像圖(d’)；m-BN/PNF-50納米復(fù)合紙的TGA曲線(e)、阻燃性能(f, g)和燃燒后表面SEM照片(h, i)。

圖3. m-BN/PNF納米復(fù)合紙的介電性能和絕緣性能。不同頻率下m-BN/PNF納米復(fù)合紙的ε(a)和tanδ(b)；不同溫度下m-BN/PNF-50納米復(fù)合紙的ε(c)和tanδ(d)；m-BN/PNF納米復(fù)合紙的體積電阻率(e)和擊穿強(qiáng)度(f)。

圖4. m-BN/PNF納米復(fù)合紙的力學(xué)性能。m-BN/PNF-50納米復(fù)合紙?jiān)诓ＡО羯蠌澱酆统惺? kg反應(yīng)釜的光學(xué)照片(a)；BN/PNF-50和m-BN/PNF-50納米復(fù)合紙拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(b，c)、拉伸強(qiáng)度(d)、拉伸模量(e)和韌性(f)。