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背景介紹

隨著集成電路的微型化，實現電子產品的高效散熱成為電子器件發展需要解決的核心瓶頸問題之一。由于常見的高導熱金屬材料因其導電性而無法用于CPU、顯卡等部件的散熱，目前主要采用的是具有高導熱率且絕緣的熱界面材料（TIMs）。TIMs保證了平面垂直方向上的有效熱傳遞及局部熱量在水平方向上的快速擴散，同時，增強了熱源和散熱器粗糙和不均勻表面之間的熱傳遞，在解決電子器件的散熱方面起著關鍵作用。散熱硅脂材料等商用熱界面材料的熱導率一般為12 Wm?1K?1，已經不能很好的滿足高功率密度器件的有效散熱需求。因此，提升熱界面材料的導熱性能仍然是一個挑戰。

氮化硼（BN）納米片具有超高的熱導率、低密度和高電阻率，以 BN納米片填充的聚合物基復合材料作為熱界面材料已得到了廣泛的研究。但是由于 BN納米片固有的各向異性熱性能（平面內熱導率 400?2000 Wm?1K?1，垂直平面熱導率為 30 Wm?1K?1），且 BN與聚合物難以有效構建三維導熱網絡，因此仍然很難在BN/聚合物復合材料中實現各向同性的超高導熱率。

02

成果掠影

浙江大學柏浩教授、高微微副教授合作，提出了一種改進的雙向凍結技術來制備具有雙軸定向導熱網絡的BN/聚氨酯（BN/PU）復合材料，該復合材料在80 vol% BN填充下表現出～39.0Wm?1K?1的超高平面內熱導率和～11.5Wm?1K?1的垂直平面熱導率。由于冰晶束縛作用，BN/PU懸浮液被組裝成網絡，形成一種具有橋連的層狀結構，經過熱壓可得到致密的BN/PU復合材料。該方法克服了各向異性 BN基復合材料在某一方向導熱系數的增強往往會犧牲另外一個方向的導熱系數的問題。基于此復合材料制備的熱界面材料比商業產品具有更優越的冷卻效率，芯片實際溫度降低了15°C，在1000次加熱和冷卻循環后仍保持良好的熱穩定性。研究提供了一種開發先進熱界面材料的有效途徑，能夠滿足先進電子、可穿戴電子等新興領域的產品對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”為題發表于《ACS Nano》期刊。

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圖文導讀

具有雙向定向網絡的BN/PU復合材料的制備流程。

具有單軸定向網絡的BN/PU復合材料的結構與熱性能。

不同結構的BN/PU復合材料的熱性能。

BN/PU復合材料熱性能的控制。

BN/PU復合材料作為TIM的應用演示。

審核編輯 ：李倩