导热膜是置于热源和散热器之间的重要界面材料，用于解决散热问题，尤其适用于被限制在狭窄空间中的电子设备。然而，开发兼具高导热性、良好机械强度和优异电性能的导热膜仍然是一项具有挑战性的任务。

近期，哈尔滨工业大学朱嘉琦教授&曹文鑫等人通过去质子化和热压技术相结合的策略，使用聚多巴胺（PDA）纳米颗粒功能化的氮化硼纳米片（BNNS）和聚对苯撑苯并二恶唑（PBO）纳米纤维制备复合膜，旨在克服这一挑战。由此产生的BNNS@PDA/PBO纳米纤维复合膜显示出令人印象深刻的面内热导率，为45.15W/（m·K），其中BNNS@PDA的含量仅为37.5wt%。这代表了单位增强热导率的最佳值。对热传导机制的详细分析证实，PDA诱导的珍珠层层状结构和增强的界面相互作用是促成这种高性能实现的关键因素。与此同时，薄膜在实际使用过程中的其他必要性能，如强大的机械性能（极限拉伸强度=104.9MPa）、优异的热稳定性（T5%=670.03℃）、超低的热膨胀率（2.29ppm/K）、低介电损耗（tanδ=0.03）和良好的抗划伤性（磨损率：6.85×10-11m³/N/m）也一并实现。有趣的是，所制备的薄膜还表现出可调的光热转换性能（在0.5W/mm²下于120秒内升温70℃）。这种多功能性，结合其优异的性能，彰显了BNNS@PDA/PBO纳米纤维复合膜在热管理应用（如小型电子设备、智能可穿戴设备和光热治疗）中的巨大潜力。

图1.BNNS/PNF复合薄膜的制备示意图。

图2.a）购买的BN的SEM图像。b）BNNS-OH的二维AFM图像，插图显示了高度轮廓，以及c）BNNS-OH的典型长度分布统计。d）BNNS@PDA的HRTEM图像，插图显示了快速傅立叶变换图像。e）购买的BN和BNNS@PDA的拉曼光谱，插图显示了BNNS-OH和BNNS@PDA的光学图像。f）购买的BN、BNNS-OH和BNNS@PDA的FT-IR光谱。

图3.TC薄膜的设计灵感、形态和取向。

图4.a）不同BN含量的复合膜的TC和b）EMA拟合的ITR，c）单位填料的TCE（热导率增强），以及BNNS@PDA/PNF和先前文献中报道的其他BN增强复合材料的面内热导率。d）PNF、BN/PNF、BNNS-OH/PNF和BNNS@PDA/PNF薄膜的红外热成像以及e）温度。

图5.a）PNF和BN在0-1600cm-1频率下的pDOS。b）BNNS@PDA/PNF复合薄膜的界面粘合示意图。c）PNF、37.5wt%BNNS-OH/PNF和37.5wt%BNNS@PDA/PNF薄膜的FT-IR以及d）XPS光谱。e）PNF、37.5wt%BNNS-OH/PNF、37.5wt%BNNS@PDA/PNF薄膜、BNNS@PDA和BNNS-OH的拉曼光谱。f）PDA层增强的传热示意图。g）PNF/BNNS@PDA/PNF的“三明治”模型。h）BN/PNF、BNNS-OH/PNF和BNNS@PDA/PNF的界面结合能。

图6.a）具有不同填料含量的BNNS@PDA/PNF和b）BNNS-OH/PNF复合膜的拉伸应力-应变曲线。c）本研究中制备的材料和其他先前报道的BN基复合材料的平面内TC和拉伸强度。d）PNF和复合膜的TGA曲线。e）薄膜的T5%和T10%。f）复合膜的热膨胀系数和g）介电性能。h）显示9.09wt%BNNS@PDA/PNF薄膜、铝箔带、云母纸、Nomex 410和PI薄膜之间比较的雷达图。使用各项的最佳值对结果进行归一化。

图7.用于光模块热插拔的BNNS/PNF复合薄膜的耐磨性。

图8.用于光热治疗的BNNS@PDA/PNF复合膜的光热转换。

图9.BNNS@PDA/PNF导热膜在芯片散热中的应用。

该工作以“Bio-inspired robust and highly thermal conductive BNNS/PBO nanofiber films with excellent thermal stability, wear resistance, and adjustable photothermal properties”为题发表在《Chemical Engineering Journal》（DOI:10.1016/j.cej.2023.145916）上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145916