來源|Chemical Engineering Journal

01

背景介紹

隨著電子器件向小型化、集成化、大功率密化的方向發(fā)展，對高效散熱技術(shù)的需求日益迫切。熱界面材料(TIMs)通過連接熱源和散熱器，可以有效避免過熱和設備損壞。最新的TIM不僅要求高熱流密度以適應輕量化趨勢，而且要求可回收性以緩解電子垃圾帶來的環(huán)境壓力。然而，制備既具有高散熱性能又具有可回收性的TIM仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

含有導熱填料的聚合物復合材料是高性能TIM的可行候選材料。其中氮化硼(BN)填料因其優(yōu)異的各向異性熱輸運、介電性能、熱穩(wěn)定性和機械強度而受到廣泛關(guān)注。先進的BN/聚合物復合材料主要旨在通過相互接觸、連續(xù)相、規(guī)則取向或單向組裝來獲得更高的導熱性。然而，這些方法不僅涉及復雜的工藝，而且對粗糙表面的順應性仍未得到解決。

迄今為止，人們已經(jīng)探索了多種策略，包括構(gòu)建夾層結(jié)構(gòu)，降低模量，設計微/納米流體，以及使用熱塑性基質(zhì)，以賦予TIM具有適應性界面。由于熱塑性材料的彈性變形，在熱塑性復合材料中，通過葉片涂布、靜電紡絲、熱壓、拉伸等方法可以很容易地獲得填料的界面柔度和取向。然而，熱塑性塑料相對較低的力學性能和較高的熱應力不利于其長期使用。最近，熱固性樹脂具有低介電常數(shù)和優(yōu)異的熱性能和力學性能，被認為是TIM的理想基材，但其不溶性和不溶性使其難以符合TIM的粗糙表面，難以回收利用。

02

成果掠影

近期，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所的代金月老師針對開發(fā)高導熱以及具有可回收性的TIM取得新進展。本研究采用熱壓誘導取向法制備了具有各向異性導熱性和可回收性的高性能BN/環(huán)氧復合材料，并且具有表面相容性的完全可回收的TIM。

結(jié)果表明，僅通過簡單的熱壓處理，填充的BN就可以很容易地在平面上取向，導熱系數(shù)為3.85 W/(mK)，BN含量為40 wt %，比原始環(huán)氧樹脂高30倍，比熱壓處理前的復合材料高4.3倍。由于優(yōu)越的導熱性和機械順應性，由所制備的復合材料制成的電子器件的核心溫度比商用硅酮材料低20℃。此外，得益于所合成的環(huán)氧玻璃體的多級降解機制，所制備的復合材料可以在溫和的條件下進行高效的化學回收，BN回收率為96.2%，其他有機原料的回收率為73.6% ~ 82.4%。這項工作為我們設計可回收和高性能的TIMs提供了一種新的策略。

研究成果以“A Full-component recyclable Epoxy/BN thermal interface material with anisotropy high thermal conductivity and interface adaptability ”為題發(fā)表于《Chemical Engineering Journal》。

03

圖文導讀

圖1.BN/環(huán)氧復合材料的制備及其各向異性和可回收性示意圖。

圖2. (a)所設計的環(huán)氧玻璃體體系化學式以及分級降解機理示意圖，(b)機械性能，(c)儲能模量示意圖。

圖3.(a)熱壓誘導取向過程示意圖，(b)熱壓下BN在環(huán)氧基體中的界面缺陷變化、應力分布和取向，環(huán)氧樹脂/BN-40 wt%復合材料的面內(nèi)截面示意圖，(c)原始復合材料，(d)加工后的復合材料，(e)純BN和環(huán)氧/BN-40 wt%復合材料的XRD，(f)原復合材料和加工后復合材料的抗拉強度，(g-h)處理前后環(huán)氧樹脂/BN-40 wt%復合材料拉伸截面的SEM圖像。

圖4.(a)根據(jù)插圖，環(huán)氧樹脂/BN復合材料在平行和垂直方向上的導熱系數(shù)，(b)環(huán)氧樹脂/BN復合材料的導熱系數(shù)，(c)各向異性與文獻結(jié)果的比較，(d)加工后的復合材料與原始復合材料的仿真結(jié)果。

圖5.(a)不同材料的實時紅外圖像，(a)時間-溫度曲線，(c)純樹脂和復合材料的體積電阻率，(d)熱穩(wěn)定性，(e) 加熱/冷卻循環(huán)的熱擴散系數(shù)值。

圖6.(a)自制含TIM裝置示意圖及對粗糙表面的適應性說明，(c)熱壓后600目砂紙和從砂紙上剝離的環(huán)氧樹脂/BN 40 wt%的SEM圖像，(d)總熱阻的演變，(e)BN-40%/環(huán)氧樹脂和商用硅膠墊片性能對比。

END

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審核編輯黃宇