郑大刘春太教授/冯跃战副教授团队 CEJ ：基于循环刮涂铸造工艺制备兼具柔性、热稳定性和阻燃性能的环氧树脂基导热复合膜

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近年来，散热问题已成为制约大功率集成电路和电子器件进一步发展的主要因素之一。同时，伴随着下一代便携式电子设备的集成化和微型化，对先进热管理材料的各项性能，包括优异的电绝缘性、良好的柔韧性、重量轻、较强的力学性能等，都提出了比以往更高的要求。

近期，郑州大学申长雨院士和刘春太教授团队在《Chemical Engineering Journal》发表了题为“Flexible, thermostable and flame-resistant epoxy-based thermally conductive layered films with aligned ionic liquid-wrapped boron nitride nanosheets via cyclic layer-by-layer blade-casting”的文章。为制备高性能的环氧树脂基（EP）复合材料，该团队选用六方氮化硼（hBN）作为填料，六氟磷酸盐离子液体（IL）作为研磨剂，通过优化球磨工艺，以期缓冲球磨过程中产生的强力碰撞和冲击，同时得到微米级阻燃功能化氮化硼纳米片（BNNS@IL）。随后，采用循环逐层刮涂铸造工艺（CLbL）制备高度取向、柔性的EP/BNNS@IL复合膜，从而构建相互搭接的BNNS导热通路，并形成有效物理阻隔作用，赋予该复合膜高的各向异性导热、阻燃性和良好力学性能。

图1. (a) 球磨过程的示意图，Tyndall效应的照片和BNNS@IL粉末。(b) 通过CLbL刮涂铸造工艺制备EP/BNNS@IL复合膜的示意图。(c) 柔性EP/BNNS@IL薄膜的照片和(d) SEM图。(e) EP/BNNS@IL薄膜的横截面SEM图。

本文要点：

（1）通过hBN和BNNS@IL的形貌和结构表征，证实球磨过程对hBN的有效剥离，以及IL官能团在BNNS上的成功接枝和功能化。

图2. (a) hBN和(b) BNNS@IL的SEM图。(c) BNNS@IL的TEM图，插图是选区SAED图。(d) BNNS@IL的中心和(e)边缘的HRTEM图。(f) BNNS@IL的AFM图，(i)典型的高度曲线，以及(g，h)尺寸统计。

图3. (a) hBN和BNNS@IL的XRD表征，(b) TGA曲线，(c) FTIR和(d) XPS谱图。(e-h) F 1s、P 2p、B 1s和N 1s的高分辨率XPS分析。(i) 功能化BNNS@IL的化学反应机制。

（2）采用CLbL刮涂铸造工艺制备具有高面内取向排布BNNS@IL的EP基层状复合膜。通过循环刮涂时产生的强烈剪切效应，导致BNNS@IL沿刮涂方向的平行取向；随后采用程序化的固化方式，制备出具有连续分布和高取向结构的大面积EP/BNNS@IL薄膜。

图4. (a) CLbL刮涂铸造制备EP/BNNS@IL薄膜的示意图。(b) EP/BNNS@IL复合膜的照片和(c, d)横截面SEM图。(e) EP/BNNS@IL薄膜、纯EP和BNNS@IL的XRD曲线和（f, g）FTIR谱图。

（3）EP/BNNS@IL复合膜的导热性能。随着BNNS@IL的添加，EP/BNNS@IL复合膜的K_∥和K_⊥都在持续增长，在45% wt%的添加量下，导热系数分别可达8.3和0.8 W m^-1 K^-1。高面内平行排布的BNNS@IL，在EP基体中形成相互连接的导热网络，构建了更多有效的热传导路径，从而使EP/BNNS@IL薄膜具有优异的面内导热性能。

图5. (a) EP/BNNS@IL薄膜的热导率和(b)各向异性导热性能。(c)定向堆叠的BNNS@IL热流示意图。(d, e) EP/BNNS@IL薄膜的红外热像图，从左到右分别为20、30、40和45wt%的BNNS@IL添加量。(f) EP/BNNS@IL薄膜中热通量分布的有限元模拟。(g) 由热红外成像仪监测的实际温度变化的热图像。(h) 测试点相应的温度与时间关系。

（4）EP/BNNS@IL复合膜的阻燃性能。在EP基体中添加45 wt% BNNS@IL，峰值热量释放速率（PHRR）和总热释放量（THR）分别为104.2 W/g和8.1 kJ/g，较EP分别降低了72.9%和75.7%。这是由于具有高面内取向层状结构的BNNS@IL堆叠可作为有效物理阻隔层，同时，IL功能化BNNS@IL具有优异的催化炭化作用，有效抑制热量、氧气和可燃性气体的传递，从而显著提高了复合膜的阻燃性能。

图6. (a) EP和(b) EP/BNNS@IL薄膜燃烧过程。(c)EP和EP/BNNS@IL薄膜的放热速率和(d)总放热曲线。燃烧处理后炭渣(e)表面和(f)截面的SEM图。炭渣(g) XPS表征和(h) C 1s区高分辨率XPS光谱。(i) EP/BNNS@IL薄膜的阻燃机理图。

相关论文在线发表在《Chemical Engineering Journal》上，论文第一作者为郑州大学橡塑模具国家工程研究中心博士生韩高杰，论文通讯作者为郑州大学橡塑模具国家工程研究中心冯跃战副教授和刘春太教授。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国博士后科学基金的支持。

全文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135482

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