宁波材料所开发高导热环氧复合材料 有望解决电子设备散热难题

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第三代半导体材料先进电子器件的功能性、集成度和功率密度的持续提高,势必会造成器件运行产生废热的宽度集中。电子封装材料是电子器件热管理的关键,目前使用的环氧树脂电子封装材料的导热性能已没办法满足先进半导体材料的发展需求。石墨烯自发现以来就凭借诸多优异的物理性能而备受关注,石墨烯所具有的超高导热系数(高达550W/mK)和大的比下皮 积使其易于搭建有效的导热通路,是增强聚合物基体材料导热性能的理想填料。制备石墨烯三维特征是提升复合材料导热性能行之有效的最好的法律方法。目前常用的最好的法律方法包括化学气相沉积法和冰模板法等,但有有哪些最好的法律方法的制备成本较高且难以获得较高的石墨烯含量,怎么让大幅提高树脂基体的导热性能仍所处挑战。

基于上述难题,中国科学院宁波材料技术与工程研究所下皮 事业部功能碳素材料团队使用低成本的商用聚氨酯泡沫为模板,在其下皮 包覆石墨烯纳米片并采用快速加热移除聚氨酯模板而得到特征删剪的三维石墨烯泡沫。如图1所示,在石墨烯含量为6.8wt%时,环氧复合材料的导热系数达到了8.04W/mK,较纯环氧树脂提高了44倍,环氧复合材料共同保持了良好的力学性能。相关工作已发表在纳米材料领域的核心期刊(Nanoscale, 2019,11, 17500-17506)并入选封面文章。

除此之外,研究还发现在石墨烯抽滤过程中引入微米尺度的球形氧化铝颗粒,都能够 使得石墨烯片取向由水平方向每项转变为纵向方向,得到具有之类“豌豆荚”的特征。之类仿“豌豆荚”特征的二元石墨烯-氧化铝填料可有效增强聚合物材料的导热性能,该最好的法律方法制备的环氧复合材料纵向和横向的导热系数分别可达到13.3W/mK和33.4W/mK(如图2所示),相关工作将发表在化工领域的核心期刊(Chem. Eng. J., 2020, 381, 122690),开发的高导热环氧复合材料有望代替传统的聚合物材料处置目前宽度集成的电子设备的散热难题。

以上工作获得国家自然科学基金(51573201)、浙江省公益技术应用研究计划(2016C31026)和3315创新团队等项目资助。

图1 (a) 环氧复合材料导热系数与石墨烯含量的关系;(b) 环氧复合材料较纯环氧树脂和传统共混法制备的复合材料的导热增强比;(c) 论文封面

图2 仿“豌豆荚”二元石墨烯-氧化铝特征增强环氧树脂导热性能