近日，我院师生在国际传热传质领域知名期刊International Communications in Heat and Mass Transfer（IF=5.683）上在线发表了题为“Paving 3D interconnected Cring-C3N4@rGO Skeleton for Polymer Composites with Efficient Thermal Management Performance yet High Electrical Insulation”的研究论文，该论文是以上海第二工业大学能源与材料学院教师李一凡为第一作者，上海第二工业大学徐海萍教授和于伟教授共同合作的成果。
具有良好电气绝缘性能的聚合物基热界面材料是微电子器件热管理的重要组成部分。提高聚合物固有导热系数的一种常见方法是引入导热填料。在大多数情况下，这些填料也是导电的，这破坏了原始的电绝缘性能。在本研究中，我们通过组装圆形氮化碳(Cring-C3N4)和氧化石墨烯(GO)，开发了一种新型的异质二维杂化填料，旨在通过Cring-C3N4获得绝缘性能。组装后的填料具有有序的三维互连结构，板材尺寸增大，板材堆叠紧凑，有利于热传导。采用冰模板法进一步布置填料，最大热导率达到4.12 W/mK。同时，其导电性较低，为3.6ⅹ10−7 S/m，满足大多数电气绝缘要求。实际散热性能测试结果表明，经冰模板处理的复合材料的温度变化率和可达到的最高温度都较大，表明热接触电阻(TCR)的降低是复合材料热传导过程整体改善的原因。这一观点在实际的实验测试和有限元数值模拟中均得到了证实。
图1.图文导读
图2.环氧树脂/Cring-C3N4@rGO复合材料的化学转变和制备过程
图3. GO&Cring-C3N4纳米片的微观形貌和表征
图4. GO骨架和Cring-C3N4@rGO骨架的截面SEM图像
图5.不同填充载荷下环氧树脂/i-Cring-C3N4@rGO的热物性和电绝缘性能测试
图6. 环氧树脂/i-Cring-C3N4@rGO的红外热成像和接触热阻测试
图7. LED灯测试系统设置和TIMs模拟工况示意图
综上所述，首先通过原位酰胺化合成了Cring-C3N4@rGO复合材料，形态表征证实了其3D互连结构。环氧树脂/Cring-C3N4@rGO复合材料通过冰模板法制备，内部为取向填料。由于Cring-C3N4的引入，该复合材料显示出3.6×10-7 S / m的低电导率，满足了微电子器件中大多数绝缘要求的应用。由于有序的3D互连结构，它还具有4.12 W/mK的更高导热性。此外，由冰模板化方法产生的更有序的结构确保了其较低的接触热阻。进一步的实际应用证实，这种更高效的界面热传导带来了出色的热管理性能，这一点已从实验和仿真方面得到证明。我们的工作开发了一种具有高效热管理性能和高电绝缘性的新型聚合物复合材料，更重要的是，揭示了TIM的导热系数不是影响集成系统中热传导的核心因素。相反，应该在界面热传导改进方面投入更多精力，以便在实际的集成系统中实现高效的热管理性能。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2022.106147