近期，中科院合肥研究院固體所高分子與復(fù)合材料研究部田興友研究員和張獻(xiàn)副研究員課題組在高導(dǎo)熱聚酰亞胺絕緣復(fù)合膜研究方面取得新進(jìn)展，通過熱亞胺化誘導(dǎo)納米氮化碳面內(nèi)取向，實(shí)現(xiàn)了高導(dǎo)熱聚酰亞胺絕緣膜的構(gòu)筑，并基于實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)氮化碳納米片的面內(nèi)取向及大幅度減少的界面熱阻是提高聚酰亞胺導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵因素。相關(guān)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(xué)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(nèi)部的熱量集聚問題已經(jīng)越來(lái)越突出，為維持電子器件的正常運(yùn)行和長(zhǎng)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(lǐng)域，聚酰亞胺(PI)薄膜被認(rèn)為是柔性基板的理想材料。然而，由于受制于低的導(dǎo)熱率，聚酰亞胺通常需要與高導(dǎo)熱無(wú)機(jī)填料結(jié)合，通過構(gòu)筑連續(xù)的微觀導(dǎo)熱通路、降低界面熱阻來(lái)提高聚酰亞胺薄膜的導(dǎo)熱性能。但是，目前有序?qū)嵬返臉?gòu)筑方法通常存在過程復(fù)雜、耗時(shí)及成本高等一系列問題，從而限制了規(guī)?；瘧?yīng)用。同時(shí)，考慮到PI膜的絕緣需求及成膜過程，一般的陶瓷導(dǎo)熱填料或碳材料無(wú)法應(yīng)用于導(dǎo)熱薄膜的制備。因此，尋找新型導(dǎo)熱填料和簡(jiǎn)單有效的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是提高聚酰亞胺膜導(dǎo)熱性能急需解決的問題。 

基于PI薄膜良好的類石墨化結(jié)構(gòu)及絕緣等特性，團(tuán)隊(duì)成員采用在光催化領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的氮化碳納米片，首次開展了其在PI薄膜中的導(dǎo)熱應(yīng)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(dǎo)熱的聚酰亞胺絕緣膜。在熱亞胺化制備PI薄膜的同時(shí)，同步誘導(dǎo)氮化碳納米片實(shí)現(xiàn)了面內(nèi)取向排布和導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑。隨著氮化碳納米片的引入，復(fù)合膜的導(dǎo)熱率得到了大幅提升，導(dǎo)熱率從0.18 Wm-1K-1提高到2.04 Wm-1K-1；結(jié)合EMT模擬探究了導(dǎo)熱填料與聚合物基體之間的界面熱阻，結(jié)果表明，氮化碳納米片與聚酰亞胺基體之間的界面熱阻遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)報(bào)道，這主要得益于氮化碳納米片與聚酰亞胺分子之間的強(qiáng)的共價(jià)作用。

圖1. 氮化碳納米片及聚酰亞胺導(dǎo)熱復(fù)合膜的形成示意圖

圖2. 聚酰亞胺導(dǎo)熱復(fù)合膜的散熱性能測(cè)試

另外，該復(fù)合PI膜不僅導(dǎo)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(yīng)用需求，未來(lái)在柔性電子、絕緣介質(zhì)封裝等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。 該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院STS重點(diǎn)項(xiàng)目和安徽省自然科學(xué)基金等多個(gè)項(xiàng)目資助。