近期，中科院合肥研究院固體所高分子與復合材料研究部田興友研究員和張獻副研究員課題組在高導熱聚酰亞胺絕緣復合膜研究方面取得新進展，通過熱亞胺化誘導納米氮化碳面內取向，實現了高導熱聚酰亞胺絕緣膜的構筑，并基于實驗和理論計算結果，發(fā)現氮化碳納米片的面內取向及大幅度減少的界面熱阻是提高聚酰亞胺導熱性能的關鍵因素。相關成果以 “Imidization-induced carbon nitride nanosheets orientation towards highly thermally conductive polyimide film with superior flexibility and electrical insulation”為題發(fā)表在材料科學TOP期刊Composites Part B: Engineering上。 

隨著電子器件朝著小型化、多功能化和高頻率方向的發(fā)展，其內部的熱量集聚問題已經越來越突出，為維持電子器件的正常運行和長期的有效性，高效的熱管理是非常必要的。目前，在微電子封裝領域，聚酰亞胺(PI)薄膜被認為是柔性基板的理想材料。然而，由于受制于低的導熱率，聚酰亞胺通常需要與高導熱無機填料結合，通過構筑連續(xù)的微觀導熱通路、降低界面熱阻來提高聚酰亞胺薄膜的導熱性能。但是，目前有序導熱通路的構筑方法通常存在過程復雜、耗時及成本高等一系列問題，從而限制了規(guī)?；瘧谩Ｍ瑫r，考慮到PI膜的絕緣需求及成膜過程，一般的陶瓷導熱填料或碳材料無法應用于導熱薄膜的制備。因此，尋找新型導熱填料和簡單有效的導熱結構設計方法是提高聚酰亞胺膜導熱性能急需解決的問題。 

基于PI薄膜良好的類石墨化結構及絕緣等特性，團隊成員采用在光催化領域廣泛應用的氮化碳納米片，首次開展了其在PI薄膜中的導熱應用研究。首先通過熱刻蝕法得到了氮化碳納米片，然后將氮化碳納米片與聚酰胺酸均勻混合，最后通過流延法制備獲得了具有高導熱的聚酰亞胺絕緣膜。在熱亞胺化制備PI薄膜的同時，同步誘導氮化碳納米片實現了面內取向排布和導熱網絡構筑。隨著氮化碳納米片的引入，復合膜的導熱率得到了大幅提升，導熱率從0.18 Wm-1K-1提高到2.04 Wm-1K-1；結合EMT模擬探究了導熱填料與聚合物基體之間的界面熱阻，結果表明，氮化碳納米片與聚酰亞胺基體之間的界面熱阻遠低于文獻報道，這主要得益于氮化碳納米片與聚酰亞胺分子之間的強的共價作用。

圖1. 氮化碳納米片及聚酰亞胺導熱復合膜的形成示意圖

圖2. 聚酰亞胺導熱復合膜的散熱性能測試

另外，該復合PI膜不僅導熱性能大幅提高，而且保持了良好的電絕緣性能、熱穩(wěn)定性能等優(yōu)異特性，滿足了電子封裝材料的應用需求，未來在柔性電子、絕緣介質封裝等領域具有廣泛的應用前景。 該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、中科院STS重點項目和安徽省自然科學基金等多個項目資助。