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展，通過熱亞胺化誘導(dǎo)納米氮化碳面內(nèi)取向?qū)崿F(xiàn)了高導(dǎo)熱聚酰亞胺絕緣膜的構(gòu)筑，并基于實驗和理論計算結(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》（COMPOS PART B-ENG, 199 (2020) 108267）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)越來越突出，為維持電子器件的正常運行和長期的有效性，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)熱無機填料結(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、耗時及成本高等一系列問題，從而限制了規(guī)模化應(yīng)用。同時，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)熱填料和簡單有效的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)設(shè)計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，團隊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。

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

在熱亞胺化制備PI薄膜的同時，同步誘導(dǎo)氮化碳納米片實現(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低于文獻報道，這主要得益于氮化碳納米片與聚酰亞胺分子之間的強的共價作用。

圖2. 聚酰亞胺導(dǎo)熱復(fù)合膜的散熱性能測試

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。

該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、中科院STS重點項目和安徽省自然科學(xué)基金等多個項目資助。

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