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中科院寧波材料所劉小青研究員團隊 CEJ:動態鍵交換過程中實現環氧樹脂導熱填料的高度取向
2023-06-14  來源:高分子科技

  過熱問題是限制微電子器件進一步集成化、高密度化、小型化發展的關鍵。具有優異散熱能力的熱界面材料(TIMs可以橋連熱源和散熱器,實現熱流的定向耗散其中,以環氧樹脂為基體的TIMs具有高粘接、力學強度高、電絕緣等優勢,可以有效降低接觸熱阻并提升電子設備的可靠性。然而,環氧樹脂較低的熱導率和各向同性分散的導熱填料的散熱能力有限。另一方面,環氧樹脂的高粘結性和不溶不熔特性也不可避免地加劇“電子垃圾”問題。因此,開發兼具高導熱和可回收的環氧TIM具有重要意義。


  中科院寧波材料所劉小青研究員一直致力于可持續熱固性樹脂研究創制了系列高性能生物基熱固性樹脂(Prog. Polym. Sci., 2021, 113, 101353; Green Chem., 2021, 23, 8643; Chem. Eng. J., 2022, 428,131226; Compos. B: Eng., 2020, 190, 107926,并發展了新的熱固性樹脂高值回收方法(碳回收、全組分回收)和多種功能性復合材料(Adv. Mater., 2022, 2209545; Small, 2022, 18, 2202906; Nano Energy, 2022, 100, 107477; ACS Nano, 2021, 15, 12, 19490-19502; Chem. Eng. J., 2023, 460, 141882; Compos. Sci. Tech., 2023, 238, 110028)。


  近日,該團隊設計了一種含縮醛、二硫和酯鍵的生物基環氧樹脂類玻璃體,用于負載40 wt.%氮化硼(BN)導熱填料作為TIM。其中,二硫鍵的快速鍵交換能力使內部填料可以在熱壓條件下取向排列,從而并實現各向異性高導熱。同時,環氧基體在加熱時的玻璃化轉變和應力松弛使TIM具有觸變性從而適應粗糙表面,降低接觸熱阻。此外,得益于多重不穩定鍵賦予級降解機制,復合材料可以在溫和的條件下高效回收高值填料和主要原料該工作兼具可回收、高性能的TIMs設計提供了可行的解決思路 


1高散熱、可全組分回收的環氧TIM的設計思路 


2復合材料的制備、鍵交換和分級降解機制;熱壓取向模擬;內部填料形貌 


3復合材料的各向異性導熱對比、有限元模擬結果


  經熱壓后的復合材料具有優異的各向異性熱導率,面內和面外導熱分別為3.850.296 W m-1K-1,各向異性比達到了13。其中,面內導熱相比純樹脂和未經熱壓處理材料分別提升了29倍和3.3倍。此外,面內熱導率和導熱各向異性比兩項性能相比同類型材料具有優勢。 


4復合材料用作TIM時的散熱性能和循環穩定性


  由于環氧基體較低的玻璃化溫度和鍵交換溫度,環氧TIM可以在適當溫度下產生觸變性,從而填充粗糙表面,逐漸降低接觸熱阻。所計算的接觸熱阻為3.74 × 10-5 K m?2 W?1,接近商售硅脂的2.82 × 10-5 K m?2 W?1。由于較高的面內導熱和較低的接觸熱阻,該TIM可以將芯片的中心熱量擴散至整個平面,從而增加散熱面積。在等時間內,環氧TIM對應的中心溫度相比填料含量近似的商售硅脂(1 W m-1K-1)低20 


  此外,得益于多重不穩定鍵賦予的可分級降解性,該復合材料能在使役周期結束后,在溫和的化學條件下形成多相水解體系,實現全組分回收。經計算,BN回收率高達96.2%,其它原料回收率為73.6%-82.4%。本工作為可持續TIM材料的設計和全組分回收提供了思路。


  相關成果以A Full-component recyclable Epoxy/BN thermal interface material with anisotropy high thermal conductivity and interface adaptability”為題發表在《Chemical Engineering Journal上(DOI10.1016/j.cej.2023.143963)。劉敬楷博士和馮浩洋博士為論文的共同第一作者,共同通訊作者為代金月副研究員和劉小青研究員。項目得到了國家萬人計劃,浙江省萬人計劃,國家自然科學基金,浙江省自然科學基金、寧波市自然科學基金和中國博士后基金會的支持。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143963

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