Ceramics International | 信息功能材料与器件团队在高性能导热复合材料研究获得系列进展

　　随着航空航天武器装备、无线基站、5G通讯设备等电子信息技术的飞速发展，电子系统及其元器件日趋高频、高功率和高密度化，不可避免地导致电子产品及其元器件出现局部过热问题，影响电子设备及其元器件的运行性能、寿命和可靠性。导热复合材料具有轻质，优异导热性能和电绝缘性能，高比强度、易成型加工和低制备成本等诸多优点，常用于高端电子元器件热界面材料和封装材料，已成为国家和国防重大工程领域的关键材料。

　　2023年1月15日，聊城大学材料科学与工程学院韩维坊老师在《 Ceramics International 》（中科院1区、TOP期刊）发表了题为 Anchoring carbon nanotubes to boron nitride microrods for enhancing the thermal conductivity of polystyrene 的研究论文，揭示了界面处的导热机理，从微观角度阐释了BN陶瓷和碳纳米管提高高分子材料导热性能的内在原因。

　　我们采用了一种简单的前体热解策略来制造氮化硼@多壁碳纳米管（BN@MWCNTs）填料，其中均匀分布的MWCNTs被牢固地固定在BN微棒上。受益于其独特的结构，BN@MWCNTs在通过原位聚合设计聚苯乙烯（PS）/BN@MWCNTs复合材料时充当填充物（图1）。

　　图1. PS/BN@MWCNTs复合薄膜的制备示意图。

　　采用SEM、FTIR、XRD、XPS光谱对BN@MWCNTs进行分析表征，揭示其BN@MWCNTs合成机理（图2）。

　　图2. (a, b) BN 和 (c, d) BN@MWCNTs 的 SEM 图像, (e) FTIR 光谱 (f) BN 和 BN@MWCNTs 的 TG 曲线

　　图3a中对比了PS/BN/MWCNTs和PS/BN@MWCNTs的TC。很明显，与PS/BN/MWCNTs 复合材料相比，PS/BN@MWCNTs 复合材料显示了更高的TC。以含有10wt%的BN@MWCNTs的PS/BN@MWCNTs为例，观察到PS/BN@MWCNTs复合材料显示出9.55 W/m·K的TC，与纯PS相比，大约高出51.3倍，比PS/BN/MWCNTs复合材料高出7.74倍。此外，PS/BN@MWCNTs复合膜表现出明显高于广泛报道的PS基复合材料的TC（如图3b所示）。这一结果说明，BN@MWCNTs作为导热填料具有突出的优势。

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　　图3. 不同填充物含量的PS/BN/MWCNTs和PS/BN@MWCNTs复合材料的TC。(b) PS/BN@MWCNTs的TC与最近文献中报道的其他PS基复合材料的比较。(c) PS/BN/MWCNTs和PS/BN@MWCNTs复合材料的η。(d) PS/BN@MWCNTs复合材料中的热流传递图。

　　在这项研究中，BN@MWCNTs填料是采用一种简单的前驱体热解方法制备的。通过原位生长策略将BN@MWCNTs填料引入到PS中，制备出具有高TC的PS/BN@MWCNT复合材料。实验结果表明，含有10wt%的BN@MWCNTs的PS/BN@MWCNTs的TC可以达到9.55 W/m·K，与通过传统的熔融混合方法制备的PS/BN/MWCNTs相比，大约提高了7.7倍。此外，合成的PS/BN@MWCNTs薄膜保持了高得体积电阻率。总的来说，我们所制备的BN@MWCNTs可以是一类新型的填充材料，能够为电气设备的散热提供绝缘的导热复合材料。

　　聊城大学韩维坊博士为论文第一作者和通讯作者，李伟教授为论文共同通讯作者，该研究工作了得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金和山东省高校青创团队科技计划创新团队的支持。近年内，该团队围导热复合材料的制备、调控与应用，先后在《Polymer Testing》（2021, 102, 107325）, 《Industrial & Engineering Chemistry Research》 （2021, 60, 7124-7131）, 《Polymer Composites》（2022, 43, 1844-1851）等期刊发表多篇标志性成果。

(审核人：李伟）