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  當前，電力設備和電子器件朝著高功率密度化、高集成化等方向發(fā)展，特別是半導體行業(yè)更是以超摩爾定律的速度高速發(fā)展。電力設備與電子器件，其運行、工作過程中會產生大量熱量，若這些熱量不能被高效傳遞出去，會嚴重影響設備及器件的工作效率、可靠性和使用壽命。聚合物在電力設備及電子器件中被廣泛用作絕緣材料，但大部分聚合物材料導熱系數(shù)低，嚴重制約了各種設備熱管理能力的提升。所以，絕緣聚合物材料的熱管理能力的提升在相當程度上決定了電力設備及電子器件的技術水平。為解決這一問題，傳統(tǒng)的方式是通過在聚合物中添加大量無機、金屬或碳類導熱填料增強材料的熱傳遞性能。但這一方法同時會犧牲聚合物材料的絕緣性能、機械性能及加工性能。因此，在低填充下實現(xiàn)高效熱管理能力是國際導熱絕緣材料研究領域中的一大難題。

  近期，上海交通大學上海市電氣絕緣與熱老化重點實驗室江平開教授團隊在ACS Nano上發(fā)表題為“Highly Thermally Conductive Yet Electrically Insulating Polymer/Boron Nitride Nanosheets Nanocomposite Films for Improved Thermal Management Capability”的文章，報道了利用高壓靜電紡絲法制備面內取向、互相連接、結構可控的二維氮化硼納米片(BNNS)結構，成功在低填充下同時實現(xiàn)聚合物絕緣材料導熱系數(shù)的高效增強以及材料絕緣性能的明顯提高。

  江平開教授團隊多年來致力于導熱絕緣材料的應用基礎研究，該文的發(fā)表是繼該團隊近年在《Advanced Functional Materials》、《ACS Applied Materials & Interfaces 》等雜志發(fā)表導熱絕緣研究論文后的又一次重要進展。

  首先進行PVDF和BNNS的混合溶液制備，在選用較優(yōu)的比例下進行靜電紡絲制得取向排列且互相連接的BNNS 聚合物復合纖維。通過裁剪以及垂直折疊制備具有網格結構的復合纖維氈，然后采用冷壓與熱壓成型結合的方式得到致密的柔性納米復合絕緣材料。

圖1 PVDF/BNNS復合材料的制備過程

圖2  納米復合絕緣材料不同制備階段的微結構示意圖

（a）PVDF 纖維；（b，c，d, e）取向的PVDF/BNNS復合纖維；（f，g）網格結構的PVDF/BNNS復合纖維；（h, i）納米復合材料. 

  測試結果顯示，該材料具有強導熱各向異性，在氮化硼納米片含量僅33 wt% 下，面內導熱系數(shù)最高可達16.3 W/(m·K)，是現(xiàn)有報道中熱塑性聚合物絕緣材料導熱增強效率的新紀錄！更重要的是，這種材料同時進一步提高了PVDF原本優(yōu)異的絕緣性能，增加了其介電強度以及體積電阻率、降低了其介電損耗。

圖3 具有互連取向BNNS的納米復合材料和具有均勻分散的BNNS的納米復合材料的面內（=）和穿透面（⊥）導熱性能

（a）納米復合材料在25℃時的面內（K =）和穿透面（K⊥）導熱率;（b）復合薄膜中的面內熱流機理圖；（c）復合薄膜的導熱各向異性；（d）PVDF / BNNS復合材料的面內導熱率的厚度依賴性；（e）關于BNNS或BN基聚合物復合材料，本文工作和其他代表性工作的導熱性能比較。

圖4 納米復合材料的電性能和熱性能

（a） 納米復合材料的體積電阻率；（b） 不同納米復合材料的擊穿強度的威布爾圖；（c） 納米復合材料介電損耗角正切的頻率依賴性；（d） 添加33wt％BNNS的納米復合材料的DSC曲線.

  此外，在熱管理應用方面，將該納米復合絕緣材料集成到電源組件中，作為其關鍵器件-金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）的散熱界面材料, 使用有限元計算模擬以及紅外熱像儀觀察得到，該材料相比商業(yè)的界面材料具有明顯更高的熱管理能力，成功降低器件的運行溫度，且該方法具有簡單、便利、可工業(yè)化等特點。說明這種面內導熱各向異性材料在熱管理方面具有很好的應用前景。

圖5 納米復合薄膜在冷卻MOSFET中的應用 

（a） 集成熱界面材料的MOSFET的光學照片；（b） 集成的不同熱界面材料MOSFET在運行時的紅外熱圖像；（c） 集成熱界面材料的電源設備的結構以及散熱路徑示意圖；（d） MOSFET運行時的表面溫度變化。

圖6 BNNS聚合物復合膜作為熱界面材料的COMSOL模擬 

（a）取向結構的BNNS聚合物復合膜作為熱界面材料的幾何建模與散熱模擬計算；（b）各向同性的商業(yè)化硅膠墊片的幾何建模與散熱模擬計算（MOSFET的溫度設定為90℃）。

  通過三個步驟（靜電紡絲，垂直折疊和模壓成型）制備高導熱且電絕緣的BNNS聚合物納米復合膜。納米復合材料不僅在相對較低的BNNS添加量下具有超高的面內導熱性，而且還具有優(yōu)異的電絕緣性能，如純比聚合物基體更高的擊穿強度、體積電阻率，且介電損耗得到有效抑制。通過實驗和有限元模擬證明了具有取向且互相連接結構的BNNS聚合物納米復合薄膜對電源設備具有很像的熱管理能力，表明其在新興電氣系統(tǒng)和電子器件的熱管理中具有廣闊的應用前景。該篇文章第一作者為上海交通大學2015級博士生陳金，通訊作者為黃興溢教授。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b06290