近日，我院師生在國際傳熱傳質領域知名期刊International Communications in Heat and Mass Transfer（IF=5.683）上在線發表了題為“Paving 3D interconnected Cring-C3N4@rGO Skeleton for Polymer Composites with Efficient Thermal Management Performance yet High Electrical Insulation”的研究論文，該論文是以上海第二工業大學能源與材料學院教師李一凡為第一作者，上海第二工業大學徐海萍教授和于偉教授共同合作的成果。
具有良好電氣絕緣性能的聚合物基熱界面材料是微電子器件熱管理的重要組成部分。提高聚合物固有導熱系數的一種常見方法是引入導熱填料。在大多數情況下，這些填料也是導電的，這破壞了原始的電絕緣性能。在本研究中，我們通過組裝圓形氮化碳(Cring-C3N4)和氧化石墨烯(GO)，開發了一種新型的異質二維雜化填料，旨在通過Cring-C3N4獲得絕緣性能。組裝后的填料具有有序的三維互連結構，板材尺寸增大，板材堆疊緊湊，有利于熱傳導。采用冰模板法進一步布置填料，最大熱導率達到4.12 W/mK。同時，其導電性較低，為3.6ⅹ10?7 S/m，滿足大多數電氣絕緣要求。實際散熱性能測試結果表明，經冰模板處理的復合材料的溫度變化率和可達到的最高溫度都較大，表明熱接觸電阻(TCR)的降低是復合材料熱傳導過程整體改善的原因。這一觀點在實際的實驗測試和有限元數值模擬中均得到了證實。
圖1.圖文導讀
圖2.環氧樹脂/Cring-C3N4@rGO復合材料的化學轉變和制備過程
圖3. GO&Cring-C3N4納米片的微觀形貌和表征
圖4. GO骨架和Cring-C3N4@rGO骨架的截面SEM圖像
圖5.不同填充載荷下環氧樹脂/i-Cring-C3N4@rGO的熱物性和電絕緣性能測試
圖6. 環氧樹脂/i-Cring-C3N4@rGO的紅外熱成像和接觸熱阻測試
圖7. LED燈測試系統設置和TIMs模擬工況示意圖
綜上所述，首先通過原位酰胺化合成了Cring-C3N4@rGO復合材料，形態表征證實了其3D互連結構。環氧樹脂/Cring-C3N4@rGO復合材料通過冰模板法制備，內部為取向填料。由于Cring-C3N4的引入，該復合材料顯示出3.6×10-7 S / m的低電導率，滿足了微電子器件中大多數絕緣要求的應用。由于有序的3D互連結構，它還具有4.12 W/mK的更高導熱性。此外，由冰模板化方法產生的更有序的結構確保了其較低的接觸熱阻。進一步的實際應用證實，這種更高效的界面熱傳導帶來了出色的熱管理性能，這一點已從實驗和仿真方面得到證明。我們的工作開發了一種具有高效熱管理性能和高電絕緣性的新型聚合物復合材料，更重要的是，揭示了TIM的導熱系數不是影響集成系統中熱傳導的核心因素。相反，應該在界面熱傳導改進方面投入更多精力，以便在實際的集成系統中實現高效的熱管理性能。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2022.106147