來源：Advanced Functional Materials
鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202508737
01 背景介紹
隨著微電子設(shè)備朝著小型化、集成化和高功率密度發(fā)展，其產(chǎn)生的熱量越來越多，過熱問題不僅影響設(shè)備性能和壽命，甚至可能引發(fā)火災(zāi)，因此高效的熱管理材料成為剛需。對于電子設(shè)備而言，良好的導(dǎo)熱性能夠迅速將芯片等發(fā)熱部件產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去，避免熱量積聚；而電絕緣性則是保障設(shè)備使用安全的重要前提，防止電流泄漏引發(fā)短路等故障。以往的材料往往在提升導(dǎo)熱性時(shí)，電絕緣性能就會大打折扣，反之亦然，這一矛盾嚴(yán)重制約了微電子設(shè)備熱管理技術(shù)的發(fā)展。
02 成果掠影
近日，西安交通大學(xué)宋建偉聯(lián)合南方科技大學(xué)李一舉利用ANF剝離和分散EG，制備了具有高導(dǎo)熱性和電絕緣性的可擴(kuò)展芳綸納米纖維 / 膨脹石墨（ANF/EG）混合膜。在制備過程中，團(tuán)隊(duì)采用了 ANF 輔助剝離和分散 EG 的獨(dú)特策略。在超聲處理的作用下，ANF 如同一個(gè)個(gè) “小助手”，將 EG 成功剝離，并通過強(qiáng)界面相互作用，即氫鍵和 π-π 相互作用，緊密地包裹在 EG 納米片表面，最終形成了一種有序的層狀結(jié)構(gòu)。當(dāng) EG 含量達(dá)到 50 wt.% 時(shí)，這種混合膜展現(xiàn)出了驚人的性能。其面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá) 40.59 W/mK，相比傳統(tǒng)聚合物基復(fù)合材料有了顯著提升，能夠高效地將熱量傳導(dǎo)出去。同時(shí)，令人驚喜的是，它的體積電阻率仍保持在 4.70×10? Ω?cm，具備優(yōu)異的電絕緣性，有效避免了漏電風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)際的微電子設(shè)備冷卻實(shí)驗(yàn)中，ANF/EG 混合膜更是大展身手，能夠?qū)?CPU 溫度降低 23℃，其出色的散熱性能遠(yuǎn)超商用硅脂，為解決微電子設(shè)備過熱問題提供了切實(shí)可行的方案。研究成果以“A Thermal Management Hybrid Membrane with Both High Thermal Conductivity and Electrical Insulation”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊。
03 圖文導(dǎo)讀
圖1. a）ANF、EG和ANF/EG雜化膜的制備工藝示意圖以及ANF/EG雜化膜具有高導(dǎo)熱性和電絕緣性的機(jī)理。B）ANF/EG雜化膜在微電子器件和電子封裝中的潛在應(yīng)用。c）顯示ANF/EG雜化膜、硅膠墊、PA基塑料、PEG@TPU/BNNS和NFC/CNT。
圖2.a）ANF的TEM圖像。B，c）通過熱沖擊獲得的膨脹石墨的SEM圖像。d）ANF/EG雜化膜的TEM圖像。e，f）ANF/EG雜化膜的橫截面SEM圖像。g）ANF/EG膜在各種形式的彎曲，折疊，h）具有不同EG含量的ANF/EG雜化膜的拉伸強(qiáng)度i）ANF/EG雜化膜在水中浸泡30天后，在100 ℃下處理，j）ANF/EG雜化膜在100 °C、液氮、1 mol/L HCl和1 mol/L NaOH中處理24 h之前和之后的光學(xué)圖像。ANF/EG雜化膜的C1 s k）和N1s l）XPS光譜。
圖3.a）具有不同EG含量的ANF/EG雜化膜的體積電阻率（紅線表示電絕緣的標(biāo)準(zhǔn)（109 Ω·cm））. B）ANF/EG膜的電絕緣的示意圖. c）ANF/EG雜化膜的尺寸變化和熱膨脹系數(shù)（50 wt.%）在不同溫度下的熱擴(kuò)散率。d）具有不同EG含量的ANF/EG雜化膜的面內(nèi)熱擴(kuò)散率。e）具有不同EG含量的ANF/EG雜化膜的熱導(dǎo)率。f）ANF/EG雜化膜的高熱導(dǎo)率機(jī)理的示意圖。g）ANF/EG雜化膜與其它導(dǎo)熱和電絕緣材料的面內(nèi)熱導(dǎo)率的比較。h）ANF/EG雜化膜與先前工作中報(bào)道的其它納米復(fù)合材料之間的極限強(qiáng)度和面內(nèi)熱導(dǎo)率的比較。
圖4. a）熱管理性能測試設(shè)置的示意圖。將導(dǎo)熱膜置于熱源下，并通過紅外攝像機(jī)測試熱源的溫度。B）使用PI、ANF和ANF/EG作為加熱時(shí)間函數(shù)的熱源紅外熱圖像（50重量%）作為散熱基板。d）在加熱和冷卻過程中，具有不同熱管理材料的熱源的溫度演變。e）具有熱管理材料的CPU冷卻測試的數(shù)字照片。f）不同熱管理材料的CPU溫度隨運(yùn)行時(shí)間的變化。
圖5. ANF膜a）和ANF/EG的照片B）ANF膜和ANF/EG的熱釋放速率曲線ANF膜和ANF/EG的TGA d）和DTG e）曲線大體積的可膨脹石墨f）和廢棄的Kevlar織物g）。h）大規(guī)模ANF/EG漿料的數(shù)字圖像（質(zhì)量比1：1）。ANF在超聲的輔助下可以將膨脹石墨剝離并分散在水溶液中。i）大尺寸（700 mm × 200 mm）ANF/EG雜化膜。
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