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面向空天飞行器的一种超轻导热聚合物电介质材料
2020-11-30  来源:高分子科技

  超高密度电子封装及高电压、大功率电气绝缘大发排列3的发展对所应用的聚合物材料越来越严苛的要求,绝缘场合散热需求极大推动了导热绝缘聚合物复合电介质材料的迅速发展。近年来导热聚合物的研究取得很大的进展,进一步推动了其在微电子封装、电机、动力汽车电池热控制系统、太阳能、LED照明、换热及高效散热器件上的工业应用,但是目前导热聚合物的热导率的提高主要通过使用大量导热粒子(不低于65wt%)在高热阻的基体内构筑出促进声子热传递的路径和通道来实现,而高填充带来了很多明显负面影响,如复合材料的绝缘电阻及介电强度显著下降、介电常数及损耗升高,这严重影响和限制了其在面向5G应用的高频基板,以及高压大功率绝缘装备上的应用。此外,还一定程度上造成了加工成型困难和力学性能劣化。因此,设计和制备低填充量下的高导热聚合物复合材料具有重要研究和应用价值。


  面向航空、航天应用的材料的设计和制备首要考虑其质量,这是飞行器必须考虑和满足的一个重要大发排列3指标,因为减重意味着更快的航程和更快飞行速度。而目前传统的填充型导热聚合物很难直接应用于空天飞行器器件,因为设计对部件质量的严格要求使得传统导热聚合物复合材料的质量被限制在很小范围内,而高填充导致的高密度导热材料很难满足实际设计和飞行要求。因此,设计和开发出具有轻质的高导热聚合物复合材料显得尤为重要。


  发泡大发排列3是降低聚合物密度和质量的重要手段,但引入的空气热导率仅为聚合物的1/10,使得聚合物泡沫变成了绝热材料。如何提高低密度泡沫聚合物的热导率是制备轻质导热聚合物的关键所在。基于此理念和实际需求,本研究设计和制备了一种具有多孔结构的氮化硼纳米片(BNNSs)/交联聚苯乙烯(c-PS)复合材料。借助于纯水为起泡剂,在微泡形成过程产生的应力使得原本均匀分布在聚合物内的BNNSs在环形应力作用下在气泡之间的泡壁内形成环形结构的取向分布,借助于泡空的形成及孔径发展使得原本不相连接的BNNSs之间产生相互连接结构,最终基于发泡过程诱导的BNNSs构建的3D网络为声子传递铺设了高速通道,如图1所示。另一方面泡孔产生又降低热导率,因此,复合体系的热导率与BNNSs形成的网络结构密切相关,而BNNSs的导热通路的构建与发泡比、BNNSs用量、泡孔直径及泡孔密度等因素相关,如图2所示。本文研详细研究了上述因素对多孔结构聚合物的热导率的影响机理,进而讨论了对介电常数及损耗因子的影响。研究结果表明基于泡孔结构的BNNSs/c-PS在最佳条件下呈现出高达1.28 W/m K的热导率,远高于同等填料用量下的未发泡体系的热导率,该材料密度下降了接近1/2,图3及图4所示。


图1 多孔结构BNNSs/c-PS复合材料的制备工艺过程


图2 发泡比对BNNSs在c-PS中导热网络的构筑影响示意图


图3 相场模拟不同发泡比例下材料的导热能力


图4 BNNSs用量及发泡比对复合材料的密度、比热导率的影响


  此外,该多孔结构复合材料呈现出明显低于本体聚合物的超低介电常数及损耗,在宽频内及玻璃化转变温度下保持了极佳的频率及温度稳定性,图5所示。本研究设计和制作的超轻聚合物导热复合材料以独特的低密度、稳定的超低介电常数及损耗、高比热导率等优势在航空及航天电子器件及绝缘散热场合显示了重要的潜在应用价值。


图5 泡沫复合材料的的介电温谱性能


  该研究以题为“Lightweight Porous Polystyrene with High Thermal Conductivity by Constructing 3D Interconnected Network of Boron Nitride Nanosheets”的论文发表在美国化学学会旗下著名刊物ACS Applied Materials and Interfaces, 2020,12,46767-46778上,西安科技大学先进电工材料研究中心周文英教授和美国宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系Qing Wang(王庆)教授分别为该文第一作者及通讯作者。


  原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c11543

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(责任编辑:xu)
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