导热系数高达11W/m·K!东京大学等开发出可与金属媲美的新型氮化硼复合导热片材

发布时间 | 2024-06-07 10:56 分类 | 技术前沿 点击量 | 265
氮化硼
导读:​近日,东京大学和产业技术综合研究所(产综研)联合宣布,他们将氮化硼(BN)填料与环状高分子聚轮烷(PR)复合,开发出了一种导热性能可与金属媲美的绝缘导热复合片材。详细内容已刊登在涉及聚合...

近日,东京大学和产业技术综合研究所(产综研)联合宣布,他们将氮化硼(BN)填料与环状高分子聚轮烷(PR)复合,开发出了一种导热性能可与金属媲美的绝缘导热复合片材。详细内容已刊登在涉及聚合物和增强材料等复合材料领域的学术期刊《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》上。

左:带有定向 BN 填料的高导热橡胶板;右:技术要点

研究背景

随着设备的高功能化和小型化,电子元件的发热密度持续增加,需要将这些热量传导至散热部件以防止电子元件过热和误操作,因此需要一种名为“热界面材料”的散热片。热界面材料不仅需要在片材厚度方向上具有高热导率,还需要具有柔韧性以紧密贴合各种形状的电子元件并传递热量,同时还需具备从外部电气保护电子元件的绝缘性。然而,迄今为止,实现具有10W/mK以上热导率、100MPa以下杨氏模量(代表橡胶柔软性)以及电气绝缘性的热界面材料一直未能成功。因此,研究团队决定致力于实现这一目标。

研究进展

据悉,PR是一种由直链高分子(聚乙二醇)和在其上运动的环状分子(环糊精)组成的“超分子”,以这些环状分子为交联点的橡胶具有易延展且不易撕裂的特性。在此项研究中,研究团队利用他们擅长的水中等离子体处理方法,在PR表面引入了羟基等官能团,作为均匀分散填料的方法。

而六方氮化硼是一种常见的填料材料,同时也是一种电气绝缘体,在20℃时具有392W/mK的高热导率。通常BN填料具有板状单晶结构,并在板面方向上表现出高热导性,因此在与橡胶复合时,最好是使填料的板面相互对齐,才能最大程度发挥其导热性能。

然而,当将表面改性后的填料在高分子材料中进行定向时,传统的“正弦波交流电场”由于电场强度不足和长时间施加时产生的介电加热会促进溶液的凝胶化,导致无法充分定向。因此,本次研究采用了脉冲交流电场,并改进了电极配置,将电场强度提高到传统方法的50倍。这使得在短时间施加电场时,能够抑制高分子的凝胶化,同时显著提高BN填料的定向度。

橡胶复合材料中BN填料(平均粒径7μm)的电场取向和结构评价结果

另外,已有报告指出,在正弦波交流电场施加下,当填料浓度超过30%wt时,难以实现定向。相比之下,本次采用的脉冲交流电场施加下,即使在填料浓度达到最高65%wt时也能实现定向。实际上,脉冲交流电场处理的BN填料与橡胶复合片材在厚度方向上展示了高达11W/mK的热导率,与金属相当。同时,本次开发的片材显示出58MPa的杨氏模量,达到橡胶级别的低值,体积电阻率为1.9×10^11Ω·cm,证明其具有电气绝缘性。

未来,研究团队将进一步优化填料的电场取向条件和复合条件,以提高导热性和柔韧性。该公司还将与其他公司合作进行研究,以提高热中间层材料的实用性能和耐用性,旨在将其作为散热片商业化。

 

粉体圈Coco编译

作者:粉体圈

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