首頁 > 新聞中心 > 科研進展
甯波材料所在制備高導熱環氧複合材料方面取得進展
作者:,日期:2019-10-10

  第三代半導體材料先進電子器件的功能性、集成度和功率密度的持續提高,勢必會造成器件運行産生廢熱的高度集中。電子封裝材料是電子器件熱管理的關鍵,目前使用的環氧樹脂電子封裝材料的導熱性能已不能滿足先進半導體材料的發展需求。石墨烯自發現以來就憑借諸多優異的物理性能而備受關注,石墨烯所具有的超高導熱系數(高達5300W/mK)和大的比表面積使其易于搭建有效的導熱通路,是增強聚合物基體材料導熱性能的理想填料。制備石墨烯三維結構是提升複合材料導熱性能行之有效的方法。目前常用的方法包括化學氣相沈積法和冰模板法等,但這些方法的制備成本較高且難以獲得較高的石墨烯含量,因此大幅提高樹脂基體的導熱性能仍存在挑戰。

  基于上述问题,中國科學院宁波材料技术与工程研究所表面事业部功能碳素材料团队使用低成本的商用聚氨酯泡沫为模板,在其表面包覆石墨烯纳米片并采用快速加热移除聚氨酯模板而得到结构完整的三维石墨烯泡沫。如图1所示,在石墨烯含量为6.8wt%时,环氧复合材料的导热系数达到了8.04W/mK,较纯环氧树脂提高了44倍,环氧复合材料同时保持了良好的力学性能。相关工作已发表在纳米材料领域的核心期刊(Nanoscale, 2019,11, 17600-17606)並入選封面文章。

  除此之外,研究還發現在石墨烯抽濾過程中引入微米尺度的球形氧化鋁顆粒,可以使得石墨烯片取向由水平方向部分轉變爲縱向方向,得到具有類似“豌豆莢”的結構。這類仿“豌豆莢”結構的二元石墨烯-氧化鋁填料可有效增強聚合物材料的導熱性能,該方法制備的環氧複合材料縱向和橫向的導熱系數分別可達到13.3W/mK和33.4W/mK(如圖2所示),相關工作將發表在化工領域的核心期刊(Chem. Eng. J., 2020, 381, 122690),開發的高導熱環氧複合材料有望代替傳統的聚合物材料解決目前高度集成的電子設備的散熱問題。

  以上工作獲得國家自然科學基金(51573201)、浙江省公益技術應用研究計劃(2016C31026)和3315創新團隊等項目資助。

  图1 (a) 环氧复合材料导热系数与石墨烯含量的关系;(b) 环氧复合材料较纯环氧树脂和传统共混法制备的复合材料的导热增强比;(c) 论文封面

 

 

图2 仿“豌豆荚”二元石墨烯-氧化铝结构增强环氧树脂导热性能

 

(表面事业部 虞锦洪、陈亚鹏)