氮化硼最新應(yīng)用：可制備面內(nèi)導(dǎo)熱率達(dá)到39W/m·K的5G導(dǎo)熱材料

5G+物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代臨近，各種電子設(shè)備的發(fā)展趨向于集成化、高速度、多功能兼容和高可靠性以及穩(wěn)定性發(fā)展，這意味著在更小的空間產(chǎn)生更多的熱量，必然會(huì)帶來(lái)有限空間內(nèi)散熱的挑戰(zhàn)，因此電子設(shè)備的高效熱管理成了關(guān)鍵技術(shù)。常見(jiàn)高導(dǎo)熱金屬材料因其導(dǎo)電性而無(wú)法用于顯卡、CPU等部件散熱，需要采用具有高導(dǎo)熱、高絕緣的導(dǎo)熱界面材料。導(dǎo)熱界面材料保證了平面、垂直方向上的有效熱傳遞，同時(shí)，降低了熱源和散熱器因粗糙和不均勻表面之間的熱阻，提高熱傳遞，為電子元器件實(shí)現(xiàn)高效散熱起著舉足輕重作用。目前商用絕緣熱界面材料，如導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱凝膠等熱導(dǎo)率一般為2~12W/m·K，無(wú)法滿足高功率密度器件的有效散熱需求。因此，提升導(dǎo)熱界面材料的導(dǎo)熱性能仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

六方氮化硼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其具有很多優(yōu)異的特性，如高導(dǎo)熱性、高耐熱性、潤(rùn)滑性、摩擦系數(shù)低、熱膨脹系數(shù)低、介電性質(zhì)優(yōu)異等物理性質(zhì)以及抗氧化性強(qiáng)、抗腐蝕性強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等化學(xué)性質(zhì)，是制備填充型高導(dǎo)熱、絕緣復(fù)合材料的首選。目前基于單號(hào)填充聚合物基復(fù)合材料作為熱界面材料的研究已經(jīng)很廣泛。然而，由于 BN固有的各向異性熱性能（平面內(nèi)熱導(dǎo)率 400?2000 W/m·K，垂直平面熱導(dǎo)率為 30 W/m·K），且 BN與聚合物相容性差，難分散，難以有效構(gòu)建高效的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，因此在BN/聚合物復(fù)合材料中很難實(shí)現(xiàn)各向同性的超高導(dǎo)熱率。為此，浙江大學(xué)柏浩教授、高微微副教授合作，提出了一種改進(jìn)的雙向凍結(jié)技術(shù)來(lái)制備具有雙軸定向?qū)峋W(wǎng)絡(luò)的BN氮化硼/聚氨酯（BN/PU）復(fù)合材料，該復(fù)合材料在80 vol% BN填充下表現(xiàn)出～39.0 W/m·K的超高平面內(nèi)熱導(dǎo)率和～11.5 W/m·K的垂直平面熱導(dǎo)率。由于冰晶束縛作用，BN/PU懸浮液被組裝成網(wǎng)絡(luò)，形成一種具有橋連的層狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)熱壓可得到致密的BN/PU復(fù)合材料。該方法克服了各向異性 BN基復(fù)合材料在某一方向?qū)嵯禂?shù)的增強(qiáng)往往會(huì)犧牲另外一個(gè)方向的導(dǎo)熱系數(shù)的問(wèn)題。基于此復(fù)合材料制備的熱界面材料比商業(yè)產(chǎn)品具有更優(yōu)越的冷卻效率，芯片實(shí)際溫度降低了15°C，在1000次加熱和冷卻循環(huán)后仍保持良好的熱穩(wěn)定性。研究提供了一種開(kāi)發(fā)先進(jìn)熱界面材料的有效途徑，能夠滿足先進(jìn)電子、可穿戴電子等新興領(lǐng)域的產(chǎn)品對(duì)高性能熱界面材料的巨大需求。研究成果以“Isotropically Ultrahigh Thermal Conductive Polymer Composites by Assembling Anisotropic Boron Nitride Nanosheets into a Biaxially Oriented Network”為題發(fā)表于《ACS Nano》期刊。