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 电子器件散热是个大问题

随着集成电路和电子器件集成度越来越高，尺寸越来越小，性能不断提高，但散热逐渐成为限制因素。对应用于这一领域的热管理材料来说，高热导率不是唯一要求，良好的电绝缘性和机械强度以及化学稳定性也必不可少。

高分子材料除了热导率低（0.1~0.5 W·m-1·K-1），其它条件都符合。为了提高其热导率，并保持绝缘性，研究者往往会加入氧化物或氮化物作为填料，如Al2O3、AlN和氮化硼（h-BN）。

超高热导率的“白色石墨烯”

在众多填料中，六方氮化硼纳米片（BNNS）具有极高的热导率和电绝缘性而受到广泛关注，其面内热导率理论上高达1700~2000 W·m-1·K-1，介电击穿强度为35 kV·mm-1，被称为“白色石墨烯”。BNNS一般是从块状h-BN上剥离得到的，用于提高聚合物热导率时，纵横比越高越好。

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与石墨烯的剥离相比，BNNS在剥离时需要的能量要高33%，难度更大。熔融氢氧化钾-氢氧化钠化学剥离法产率只有0.2%，剥离的BNNS纵横比只有130.30。超声和球磨等物理技术产率虽然能提高到20%，甚至95%，但纵横比更加惨不忍睹，有时能低至67.21。如何高产和高质的剥离BNNS仍然是一个巨大的挑战。

成果介绍

湖南大学陈鼎、中科院深圳先进技术研究院Jibao Lu、中科院宁波材料技术与工程研究所林正得团队提出了一种基于高压射流的微流控物理方法来制备BNNS。他们将75 MPa的高压流体注射到微通道中，利用形成的8.77×107s-1的高剪切速率来剥离BNNS，只需要30分钟就能制备出产率高达70%-76%、纵横比达到创纪录1500的BNNS，完美解决了高纵横比BNNS的制备问题。通过真空过滤法合成的BNNS/聚乙烯醇复合薄膜，当BNNS含量为83%时，材料的面内热导率可以达到67.6 W·m-1·K-1，导热增强系数（TCE）再创新高，达到35500。他们将这种薄膜制作成柔性电绝缘散热器，用于冷却大功率LED灯，只需要50秒内就能把LED的温度降低到74.2℃，效率远超铜板散热器。

超高剪切力把BNNS“剪下来”

图1. BNNS的制备过程及结构表征。

研究者以1:1的乙醇/水混合物作为溶剂，其表面张力为28 mJ·m-2，接近BNNS的表面张力（约35 mJ·m-2），然后加入0.5 g氮化硼粉末，搅拌15分钟后，将其加压到75 MPa，然后通入微流控的微米通道中循环60次，静置7天后，从上清液中收集了0.35-0.38克BNNS，产率达到了70-76%。

通过表征，研究者发现每片BNNS表面平滑、无杂质、无缺陷，横向尺寸≈4.86 μm，厚度≈3.0 nm，纵横比达到1500±91，每片BNNS由7层组成，层间距为0.33 nm，实现了BNNS的完美剥离。

超高的导热性能

图2. BNNS复合薄膜导热性能研究。

研究者通过真空过滤法制备出了BNNS含量为83%聚乙烯醇复合薄膜，发现在不同BNNS含量下，纵横比为1500的薄膜面内导热系数始终大于1000的薄膜。当填料含量为83%时，BNNS-1500复合薄膜的面内热导率达到67.6 W·m-1·K-1，比BNNS-1000薄膜的热导率（50.9 W·m-1·K-1）提高了33%，说明纵横比对提高BNNS复合材料的热导率起着关键作用。

研究还发现这种复合膜具有良好的热稳定性，在热冲击试验中，复合薄膜面内热导率的偏差在25℃时为1.6%，105℃时为4.0%，远小于聚乙烯醇膜的结果（25℃时为9.7%，105℃时为14.9%）。

研究者将复合薄膜与聚乙烯醇薄膜热导率（0.19 W·m-1·K-1）的比值定义为导热增强系数TCE，发现复合薄膜的TCE达到创纪录的35500，比TCE达到了427，这是由于高纵横比的BNNS形成了较长的声子传输路径造成的。通过计算，研究者还发现BNNS-1500之间的接触电阻为1.1×105 K·W-1，仅是BNNS-1000的一半（2.2×105 K·W-1）。

强度好、耐折叠、高导热还绝缘的完美薄膜

图3. 复合薄膜力学性能分析。

除了优异的导热性能外，复合薄膜用于器件散热应用时还需要有良好的机械性能和电绝缘性。BNNS含量为83%的薄膜拉伸强度为13±1.7 MPa，可以承受100克的拉伸，即使叠成纸鹤、进行2000次弯折也不会断裂，还能切割成任意形状，经过种种折腾后，薄膜面内热导率仅下降了4%。

此外，薄膜的体积电阻率高达2.1×1014Ω·cm，居然比聚乙烯醇薄膜的还高出了20倍，远远超过了109Ω·cm的电绝缘标准。

高效的LED散热性能

图4. 复合薄膜用于大功率LED灯的散热。

由于BNNS复合薄膜优异的性能，研究者将其用作大功率LED灯（10 W）的柔性散热器，并与聚乙烯醇薄膜和商用铜板散热器进行了对比。发现以复合薄膜为散热器时，在50秒内LED的温度就达到了稳定状态，其它两种材料需要180秒才行，LED的温度只有74.2℃，远低于铜板的136.7℃和聚乙烯醇薄膜的149.6℃。因为LED的寿命与工作温度密切相关，每降低10℃就可以延长50%的寿命，所以本文制备的电绝缘散热器在电子封装和印刷电路板的热管理领域有广阔的前景。

小结

剥离出高纵横比的BNNS是制备电绝缘高导热复合材料的关键，研究者利用高压射流微流控技术完美剥离出了纵横比高达1500的BNNS，通过真空过滤法制备出了BNNS含量为83%聚乙烯醇复合薄膜。发现薄膜的面内热导率高达67.6 W·m-1·K-1，TCE更是达到了35500。薄膜不仅导热性好，力学性能也非常优秀：拉伸强度为13±1.7 MPa，即使进行2000次弯折也不会断裂，而且体积电阻率高达2.1×1014Ω·cm，比聚乙烯醇薄膜的还高出了20倍。研究者将这种完美的薄膜做成柔性散热器后，50秒内就能把LED的温度降低到74.2℃，而铜板散热器需要180秒才能将温度降低到136.7℃。