科研进展
实验室在制备高导热环氧复合材料方面取得进展
日期：2019-10-10
第三代半导体材料先进电子器件的功能性、集成度和功率密度的持续提高，势必会造成器件运行产生废热的高度集中。电子封装材料是电子器件热管理的关键，目前使用的环氧树脂电子封装材料的导热性能已不能满足先进半导体材料的发展需求。石墨烯自发现以来就凭借诸多优异的物理性能而备受关注，石墨烯所具有的超高导热系数（高达5300W/mK）和大的比表面积使其易于搭建有效的导热通路，是增强聚合物基体材料导热性能的理想填料。制备石墨烯三维结构是提升复合材料导热性能行之有效的方法。目前常用的方法包括化学气相沉积法和冰模板法等，但这些方法的制备成本较高且难以获得较高的石墨烯含量，因此大幅提高树脂基体的导热性能仍存在挑战。
基于上述问题，中国科学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）并入选封面文章。
除此之外，研究还发现在石墨烯抽滤过程中引入微米尺度的球形氧化铝颗粒，可以使得石墨烯片取向由水平方向部分转变为纵向方向，得到具有类似“豌豆荚”的结构。这类仿“豌豆荚”结构的二元石墨烯-氧化铝填料可有效增强聚合物材料的导热性能，该方法制备的环氧复合材料纵向和横向的导热系数分别可达到13.3W/mK和33.4W/mK（如图2所示），相关工作将发表在化工领域的核心期刊（Chem. Eng. J., 2020, 381, 122690），开发的高导热环氧复合材料有望代替传统的聚合物材料解决目前高度集成的电子设备的散热问题。
以上工作获得国家自然科学基金（51573201）、浙江省公益技术应用研究计划（2016C31026）和3315创新团队等项目资助。
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）
