近年来，随着电子设备的功能化、小型化及高集成化，高功率和高能量密度以及快速充放电循环导致热量在电子元件中快速积聚，严重损害了电子元件的可靠性、稳定性和电子设备的整体寿命。导热聚合物复合材料具有机械性能好，良好的柔韧性、优异的电绝缘性和热稳定性，在LED散热领域、5G通信设备和电子封装的应用中具有广泛的吸引力。然而，聚合物固有热导率通常小于0.5 W/(m·K)，在实际应用中还存在散热性能不足等缺陷。

近日，天津工业大学陈英波教授团队在期刊《Composites Science and Technology》上，发表了最新研究成果“Dielectric polyimide composites with enhanced thermal conductivity and excellent electrical insulation properties by constructing 3D oriented heat transfer network”。研究者通过静电纺丝，静电喷涂和热压工艺，制备出具有优异导热性能和电绝缘性能的聚酰亚胺(PI)复合材料（图1）。

图1：MBN-AgNW/PI复合材料制备示意图。

以静电纺丝改性氮化硼（MBN）/聚酰胺酸（PAA）溶液提供主要导热路径，同时静电喷涂银纳米线（AgNW）并构建额外导热路径（图2）。最后，对纤维膜进行简单折叠、热压和热亚胺化处理，得到MBN-AgNW/PI复合材料。SEM图像显示，纯PAA纤维表面光滑，MBN在各个纤维上定向排列分布，AgNW用于连接静电纺丝纤维建立交错和互连的高导热3D网络，用于声子传输，这意味着它们具有散热应用的潜力。

图2：MBN含量为(A) 0 wt%，(B) 5 wt%，(C) 10 wt%，(D) 15 wt%，(E) 20 wt%的MBN-AgNW/PAA纤维的SEM。

图3：MBN-AgNW/PI和MBN/PI复合材料的导热系数及其传热途径示意图。

如图3所示，随着MBN含量的增加，复合材料的面内导热系数随传热通道的形成而增加。在20 wt%含量下下，MBN-AgNW/PI复合材料的面内导热系数（8.38 W/mK）大于MBN/PI复合材料（6.83 W/mK）。这进一步表明混合填料MBN-AgNW对改善PI基底的面内导热有更强的作用。同时，MBN-AgNW/PI复合材料无论是作为热界面材料还是散热片均表现出优异的热管理能力（图4），与纯PI膜相比，LED灯表面温度分别降低7 ℃和10 ℃。

图4：MBN-AgNW/PI的散热性能。

导热复合材料的介电性能在电封装应用中至关重要，因为具有较低介电常数和损耗的材料可以减少无意串扰和减轻信号传播损耗。如图5所示，在40 Hz ~ 10 MHz范围内，所有样品的介电常数均小于4；同时，介质损耗也可以保持在一个相对较低的水平（＜0.01），仍然满足现代电子应用的要求。此外，MBN-AgNW/PI复合材料的耐热指数最高可达299.3 ℃，具有出色的电绝缘性质（体积电阻率~1014 Ω cm），良好的机械性能和柔韧性。

图5：MBN-AgNW/PI的介电性能。

图6：MBN-AgNW/PI的热性能，电绝缘和机械性能。

因此，具有电绝缘、高导热系数、低介电性能的MBN-AgNW/PI复合材料将在热管理材料领域开辟一条独特的道路，特别是在电子设备、无线通信等领域的应用。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2023.110323

人物简介：

陈英波，天津工业大学材料科学与工程教授，博士生导师。从事高分子多孔材料与膜材料与应用研究。在Journal of Hazardous Materials，Journal of Membrane Science，Separation and Purification Technology，Desalination，Journal of Colloid and Interface Science，Composites Science and Technology等期刊发表论文近百篇。申请发明专利33项，撰写学术专著3部。