上海交通大学江平开教授团队在导热绝缘聚合物材料研究获得新进展
当前，电力设备和电子器件朝着高功率密度化、高集成化等方向发展，特别是半导体行业更是以超摩尔定律的速度高速发展。电力设备与电子器件，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效率、可靠性和使用寿命。聚合物在电力设备及电子器件中被广泛用作绝缘材料，但大部分聚合物材料导热系数低，严重制约了各种设备热管理能力的提升。所以，绝缘聚合物材料的热管理能力的提升在相当程度上决定了电力设备及电子器件的技术水平。为解决这一问题，传统的方式是通过在聚合物中添加大量无机、金属或碳类导热填料增强材料的热传递性能。但这一方法同时会牺牲聚合物材料的绝缘性能、机械性能及加工性能。因此，在低填充下实现高效热管理能力是国际导热绝缘材料研究领域中的一大难题。
近期，上海交通大学上海市电气绝缘与热老化重点实验室江平开教授团队在ACS Nano上发表题为“Highly Thermally Conductive Yet Electrically Insulating Polymer/Boron Nitride Nanosheets Nanocomposite Films for Improved Thermal Management Capability”的文章，报道了利用高压静电纺丝法制备面内取向、互相连接、结构可控的二维氮化硼纳米片(BNNS)结构，成功在低填充下同时实现聚合物绝缘材料导热系数的高效增强以及材料绝缘性能的明显提高。
江平开教授团队多年来致力于导热绝缘材料的应用基础研究，该文的发表是继该团队近年在《Advanced Functional Materials》、《ACS Applied Materials & Interfaces 》等杂志发表导热绝缘研究论文后的又一次重要进展。
首先进行PVDF和BNNS的混合溶液制备，在选用较优的比例下进行静电纺丝制得取向排列且互相连接的BNNS 聚合物复合纤维。通过裁剪以及垂直折叠制备具有网格结构的复合纤维毡，然后采用冷压与热压成型结合的方式得到致密的柔性纳米复合绝缘材料。
图1 PVDF/BNNS复合材料的制备过程
图2 纳米复合绝缘材料不同制备阶段的微结构示意图
（a）PVDF 纤维；（b，c，d, e）取向的PVDF/BNNS复合纤维；（f，g）网格结构的PVDF/BNNS复合纤维；（h, i）纳米复合材料.
测试结果显示，该材料具有强导热各向异性，在氮化硼纳米片含量仅33 wt% 下，面内导热系数最高可达16.3 W/(m·K)，是现有报道中热塑性聚合物绝缘材料导热增强效率的新纪录！更重要的是，这种材料同时进一步提高了PVDF原本优异的绝缘性能，增加了其介电强度以及体积电阻率、降低了其介电损耗。
图3 具有互连取向BNNS的纳米复合材料和具有均匀分散的BNNS的纳米复合材料的面内（=）和穿透面（⊥）导热性能
（a）纳米复合材料在25℃时的面内（K =）和穿透面（K⊥）导热率;（b）复合薄膜中的面内热流机理图；（c）复合薄膜的导热各向异性；（d）PVDF / BNNS复合材料的面内导热率的厚度依赖性；（e）关于BNNS或BN基聚合物复合材料，本文工作和其他代表性工作的导热性能比较。
图4 纳米复合材料的电性能和热性能
（a） 纳米复合材料的体积电阻率；（b） 不同纳米复合材料的击穿强度的威布尔图；（c） 纳米复合材料介电损耗角正切的频率依赖性；（d） 添加33wt％BNNS的纳米复合材料的DSC曲线.
此外，在热管理应用方面，将该纳米复合绝缘材料集成到电源组件中，作为其关键器件-金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的散热界面材料, 使用有限元计算模拟以及红外热像仪观察得到，该材料相比商业的界面材料具有明显更高的热管理能力，成功降低器件的运行温度，且该方法具有简单、便利、可工业化等特点。说明这种面内导热各向异性材料在热管理方面具有很好的应用前景。
图5 纳米复合薄膜在冷却MOSFET中的应用
（a） 集成热界面材料的MOSFET的光学照片；（b） 集成的不同热界面材料MOSFET在运行时的红外热图像；（c） 集成热界面材料的电源设备的结构以及散热路径示意图；（d） MOSFET运行时的表面温度变化。
图6 BNNS聚合物复合膜作为热界面材料的COMSOL模拟
（a）取向结构的BNNS聚合物复合膜作为热界面材料的几何建模与散热模拟计算；（b）各向同性的商业化硅胶垫片的几何建模与散热模拟计算（MOSFET的温度设定为90℃）。
通过三个步骤（静电纺丝，垂直折叠和模压成型）制备高导热且电绝缘的BNNS聚合物纳米复合膜。纳米复合材料不仅在相对较低的BNNS添加量下具有超高的面内导热性，而且还具有优异的电绝缘性能，如纯比聚合物基体更高的击穿强度、体积电阻率，且介电损耗得到有效抑制。通过实验和有限元模拟证明了具有取向且互相连接结构的BNNS聚合物纳米复合薄膜对电源设备具有很像的热管理能力，表明其在新兴电气系统和电子器件的热管理中具有广阔的应用前景。该篇文章第一作者为上海交通大学2015级博士生陈金，通讯作者为黄兴溢教授。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b06290
来源：高电压技术
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