來(lái)源|Advanced FunctionaMaterials

01背景介紹

隨著科技的發(fā)展如何更好解決電子設(shè)備的散熱問(wèn)題，以提高其電子設(shè)備的性能和壽命一直是目前研究人員的重點(diǎn)。金屬、陶瓷和碳基材料由于其優(yōu)異的散熱性能而被廣泛用作導(dǎo)熱材料。然而，它們的高密度、脆性差不利于電子產(chǎn)品的日益小型化和集成化。聚合物由于其良好的加工性能，密度低，耐電、耐腐蝕，在許多應(yīng)用中都很受歡迎。

然而，聚合物很難在熱管理應(yīng)用中脫穎而出，因?yàn)樗膶?dǎo)熱系數(shù)通常低于0.5 W/mK。通常在聚合物中加入無(wú)機(jī)導(dǎo)熱填料(如石墨烯、碳納米管和氮化硼)以獲得高導(dǎo)熱性。但是，如何確保無(wú)機(jī)填料的均勻分散一直是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。因此，優(yōu)異的導(dǎo)熱系數(shù)(>15 W/mK)只能通過(guò)使用多種填料來(lái)實(shí)現(xiàn)，這通常會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的機(jī)械性能損失和密度的顯著增加。

聚合物很難直接用于熱管理應(yīng)用。但是，通過(guò)優(yōu)化其結(jié)晶度、取向、分子量和化學(xué)結(jié)構(gòu)，已經(jīng)設(shè)計(jì)出了高導(dǎo)熱聚合物薄膜。到目前為止，只有PE薄膜達(dá)到了與許多金屬和陶瓷(例如304不銹鋼(15 W/mK)和氧化鋁(30 W/mK)相當(dāng)?shù)膶?dǎo)熱系數(shù)值。由于PE的軟化溫度較低(<135℃)，耐火性較差，加之制備方法復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中難以充分利用PE膜的高導(dǎo)熱系數(shù)。因此開(kāi)發(fā)具有高導(dǎo)熱系數(shù)，優(yōu)異的機(jī)械性能和易于加工的聚合物仍然面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

02成果掠影

針對(duì)聚合物通常具有導(dǎo)熱性過(guò)低，無(wú)法直接用于熱管理應(yīng)用的問(wèn)題。近期，中科院化學(xué)所趙寧團(tuán)隊(duì)提出以PBO納米纖維為基元，通過(guò)溶膠-凝膠-膜轉(zhuǎn)化和退火法制備了PBO薄膜。

通過(guò)優(yōu)化PBO納米纖維溶膠的凝膠化，減少凝膠的不規(guī)則收縮，可以有效地改善薄膜中三維互聯(lián)納米纖維網(wǎng)絡(luò)的取向。熱退火后，分子鏈的有序性和納米纖維之間的相互作用增強(qiáng)，進(jìn)一步促進(jìn)了聲子轉(zhuǎn)移。因此，形成的PBO薄膜獲得了前所未有的導(dǎo)熱性、機(jī)械強(qiáng)度和抗紫外線性。該方法使得聚合物薄膜的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到了36.7 W/mK，比大多數(shù)聚合物(<0.5 W/mK)高出2個(gè)數(shù)量級(jí)，是304-不銹鋼的2.4倍。此外，PBO薄膜具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、熱/化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性、阻燃性和增強(qiáng)的抗紫外線性。輕質(zhì)、堅(jiān)固、易于加工的PBO薄膜具有類(lèi)似金屬的導(dǎo)熱性，在熱管理方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

研究成果以“Polymer Films with Metal-Like Thermal Conductivity, Excellent Stability, and Flame Retardancy ”為題發(fā)表于《Advanced Functional Materials》。

03圖文導(dǎo)讀

圖1.PBO薄膜的制備流程示意圖。

圖2.PBO的微觀結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3.原PBO薄膜的熱導(dǎo)率和力學(xué)性能。

圖4.PBO薄膜退火后的熱導(dǎo)率和力學(xué)性能。

圖5.PBO薄膜的導(dǎo)熱性能以及熱管理應(yīng)用示意圖。

審核編輯：湯梓紅