增强高导热、电绝缘聚合物/氮化硼纳米片复合物的热管理能力

导热绝缘材料广泛应用于发光二极管、集成电子器件、储能转换系统、军事武器和航空航天工业等领域，以实现合理的热管理。当前，电力设备与电子器件朝着集成化、高功率化等方向发展，其运行、工作过程中会产生大量热量，若这些热量不能被高效传递出去，会严重影响设备及器件的工作可靠性和使用寿命。聚合物具有优良的电气绝缘性能、灵活性和可设计性而用于导热材料。但大多数聚合物材料固有导热系数低，严重制约了其在热管理中的应用。为了解决这一问题，传统方式是通过添加大量无机导热填料增强材料的导热性，提高热管理能力。但是，这个方法无法维持复合材料的柔性、加工性、轻质性和电绝缘性能。因此，实现增强导热系数的同时保持优异的电气绝缘和柔性仍然是一个很大的挑战。

近日，上海交通大学黄兴溢老师课题组制备了含有取向氮化硼纳米片(BNNSs)的聚合物纳米复合材料，该材料具有导热性强、绝缘性能好、柔韧性好等优点。在这项研究中，作者通过电纺聚合物/BNNSs纳米复合纤维，将电纺后的纳米复合纤维垂直折叠并压制，得到纳米复合膜绝缘材料。纳米复合材料薄膜的导热系数与厚度相关，含有33 wt % BNNSs的18μm厚纳米复合材料薄膜可达到16.3 W/(m·K) 。此外，纳米复合薄膜与原始聚合物相比具有更好的电绝缘性能，如降低介电损耗、提高电阻率、增强击穿强度等。在开关电源中，纳米复合膜具有较强的热管理能力，表明了高平面导热系数在大功率密度电子器件热管理中的重要性。该研究为开发具有高效热管理能力的导热绝缘复合材料提供了新策略。相关研究成果以“Highly Thermally Conductive Yet Electrically Insulating Polymer/Boron Nitride Nanosheets Nanocomposite Films for Improved Thermal Management Capability”为题目发表在期刊ACS Nano上。

图1. PVDF/BNNs纳米复合材料薄膜的制备过程。

图2.（a）PVDF纤维的SEM图像; （b）具有20wt％和（c）33wt％BNNS纳米复合纤维的SEM图像; （d，e）具有33wt％BNNS的纳米复合纤维的TEM图像；（f）具有33wt％BNNS垂直折叠的SEM图像；（h）20wt％BNNS的纳米复合纤维SEM图像和（i）具有33wt％BNNS的纳米复合膜的光学照片。

图3.（a）具有取向BNNS的纳米复合膜的温度建模和计算；（b）MOSFET上方的硅胶垫（MOSFET的温度设定为90℃）。

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