北化大卢咏来教授团队：在轻质、导热、电绝缘硅胶复合材料制备取得进展

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随着电子设备不断向高功耗、微型化、集成性发展，其能量密度大幅提高，随之带来越来越严峻的散热问题；失效的热管理将导致设备卡顿、电路破坏，埋下安全隐患。设计制备高性能散热材料保障电子元器件可靠运行已经成为未来电子技术发展的主要瓶颈之一。热界面材料（TIM）是电子封装中极为关键的组成部分，一般设置在IC芯片和散热器之间，以消除间隙空气，提高此接触界面的传热效率。橡胶得益于独特的弹性和柔顺性，是优良的TIM复合材料基体。然而，传统方法依赖于高份数导热填料的填充，加工性差，且不利于材料的质轻、减重。近年来，大量研究表明在基体中构筑三维导热网络可实现高的热导率提升效率。北京化工大学卢咏来教授团队长期致力导热橡胶复合材料相关研究，前期工作中创新性的将氧化石墨烯（GO）凝胶化特性与传统乳胶共混法相结合构筑三维导热网络，得到了具有高导热、高力学性能的天然橡胶复合材料（Carbon 162 (2020) 46-55；Composites Science and Technology 186 (2020) 107930）。但该方法适用于橡胶胶乳形式的基体，且GO的存在不利于材料的电绝缘特性。事实上，目前仍有待开发具有良好普适性及工艺可行性的导热网络构筑方法。

基于上述问题，北京化工大学卢咏来教授团队开展了采用水相泡沫模板法构筑三维导热网络的研究。受“果冻”制造的启发，创新性的引入一种可食用凝胶多糖（又名可得然胶，英文名：Curdlan）作为凝胶剂，巧妙利用其独特的高温不可逆凝胶化特性，固定发泡液中的氮化硼（BN）网络，所得水凝胶可直接热空气干燥得到3D BN气凝胶导热网络；最后真空浸渍硅橡胶得到3D BN-PDMS复合材料。该橡胶复合材料在低BN含量（25.4 wt%）下热导率达到1.58 W/(m·K)，远优于无规分布对比样品；且相比国内外市售同导热率硅胶垫产品，其密度要低40%-50%。同时，该材料仍保持高的绝缘性。该方法简单、高效、无毒、环保且普适性强，所得导热电绝缘硅橡胶复合材料在电子设备热管理领域展现出良好的应用前景。

图1 3D BN-PDMS复合材料整体制备过程示意图

图2（a）发泡液的光学显微照片；（b&c）“果冻”状水凝胶干燥前后的图片；（d&g）低、（e&h）中、（f&i）高氮化硼含量的3D BN气凝胶的扫描电镜照片

图3 不同氮化硼含量（a）8.4wt%，（b）25.4wt%的3D BN-PDMS复合材料的三维X射线断层扫描图

图4 3D BN-PDMS复合材料的（a）热导率和（b）体积电阻

该成果以“Jelly-inspired Construction of 3D Interconnected BN Network for Lightweight, Thermally Conductive, and Electrically Insulating Rubber Composites”为题发表在ACS Applied Electronic Materials期刊上。论文第一作者为北京化工大学博士生李京超，通讯作者为北京化工大学卢咏来教授，共同通讯作者为北京化工大学博士后李凡珠。该工作得到装备预研教育部联合基金项目的支持。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsaelm.0c00227

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