近期，中科院合肥研究院固体所高分子与复合材料研究部田兴友研究员和张献副研究员课题组在高导热聚酰亚胺绝缘复合膜研究方面取得新进展，通过热亚胺化诱导纳米氮化碳面内取向，实现了高导热聚酰亚胺绝缘膜的构筑，并基于实验和理论计算结果，发现氮化碳纳米片的面内取向及大幅度减少的界面热阻是提高聚酰亚胺导热性能的关键因素。相关成果以 “Imidization-induced carbon nitride nanosheets orientation towards highly thermally conductive polyimide film with superior flexibility and electrical insulation”为题发表在材料科学TOP期刊Composites Part B: Engineering上。
随着电子器件朝着小型化、多功能化和高频率方向的发展，其内部的热量集聚问题已经越来越突出，为维持电子器件的正常运行和长期的有效性，高效的热管理是非常必要的。目前，在微电子封装领域，聚酰亚胺(PI)薄膜被认为是柔性基板的理想材料。然而，由于受制于低的导热率，聚酰亚胺通常需要与高导热无机填料结合，通过构筑连续的微观导热通路、降低界面热阻来提高聚酰亚胺薄膜的导热性能。但是，目前有序导热通路的构筑方法通常存在过程复杂、耗时及成本高等一系列问题，从而限制了规模化应用。同时，考虑到PI膜的绝缘需求及成膜过程，一般的陶瓷导热填料或碳材料无法应用于导热薄膜的制备。因此，寻找新型导热填料和简单有效的导热结构设计方法是提高聚酰亚胺膜导热性能急需解决的问题。
图1. 氮化碳纳米片及聚酰亚胺导热复合膜的形成示意图
基于PI薄膜良好的类石墨化结构及绝缘等特性，团队成员采用在光催化领域广泛应用的氮化碳纳米片，首次开展了其在PI薄膜中的导热应用研究。首先通过热刻蚀法得到了氮化碳纳米片，然后将氮化碳纳米片与聚酰胺酸均匀混合，最后通过流延法制备获得了具有高导热的聚酰亚胺绝缘膜。在热亚胺化制备PI薄膜的同时，同步诱导氮化碳纳米片实现了面内取向排布和导热网络构筑。随着氮化碳纳米片的引入，复合膜的导热率得到了大幅提升，导热率从0.18 Wm-1K-1提高到2.04 Wm-1K-1；结合EMT模拟探究了导热填料与聚合物基体之间的界面热阻，结果表明，氮化碳纳米片与聚酰亚胺基体之间的界面热阻远低于文献报道，这主要得益于氮化碳纳米片与聚酰亚胺分子之间的强的共价作用。
图2. 聚酰亚胺导热复合膜的散热性能测试
另外，该复合PI膜不仅导热性能大幅提高，而且保持了良好的电绝缘性能、热稳定性能等优异特性，满足了电子封装材料的应用需求，未来在柔性电子、绝缘介质封装等领域具有广泛的应用前景。
该工作得到了国家重点研发计划、中科院STS重点项目和安徽省自然科学基金等多个项目资助。
全文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359836820333175
来源：中科院合肥研究院
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