隨著電子元器件日趨高復合、高頻率和高功率化，電子設備易出現局部過熱問題，影響可靠性、安全性和使用壽命。聚合物基導熱復合材料具有輕質、柔性、耐腐蝕、易成型加工等優點，常用作電子元器件熱管理的界面和封裝材料。然而，聚合物基體通常熱導率低、耐溫性差且易燃；同時，導熱填料存在均勻分散困難、增加復合材料密度和顯著影響機械性能等問題。
 

　　中國科學院化學研究所高分子物理與化學實驗室趙寧課題組在本征高導熱聚合物及其復合材料研究方面取得進展。聚對苯撐苯并二噁唑(PBO)纖維具有優異的機械、耐熱、阻燃和耐溶劑性能，且高度取向及結晶結構使其軸向熱導率堪比部分金屬和陶瓷，但這種低維材料難以直接用于熱管理。該課題組通過剝離PBO纖維獲得納米纖維分散液，以PBO納米纖維為構筑單元制備薄膜，發展了溶膠-凝膠-薄膜轉變與熱退火結合的新方法，降低了薄膜內部缺陷、提高了納米纖維取向程度和纖維間的相互作用力(圖1)。該工作所制備薄膜的面內熱導率達到36.7 W/mK，比常規聚合物(<0.5 W/mK)提高了兩個數量級，是304不銹鋼(~ 15 W/mK)的2.4倍。該薄膜保持了優異的電絕緣、耐高溫、阻燃、機械等性能，為復雜環境中的高溫熱管理提供了可靠選擇。
 

　　進而，該研究以PBO納米纖維為“泥”、MXene納米片為“磚”，構筑了仿貝殼“磚泥”結構的復合薄膜。研究發現，通過質子消耗誘導均勻凝膠化，可顯著抑制納米纖維和納米片自身的聚集，含20 wt% MXene的復合薄膜可形成精細的“磚-泥”取向結構，面內熱導率可達42.2 W/mK，復合薄膜的強度、韌性、熱穩定和阻燃等性能得到進一步提升。此外，PBO有效阻隔了MXene納米片間的電子傳導路徑，所得薄膜保持了優異的電絕緣性能(圖2)，為使用導電型導熱填料制備導熱但電絕緣熱管理材料提供了新思路。
 

　　相關研究成果發表《自然-通訊》(Nature Communications)上。研究工作得到國家自然科學基金委員會和中國科學院的支持。
 

圖1.?PBO薄膜的制備過程
 

圖2.?PBO/MXene復合薄膜的各向異性熱傳導和電絕緣示意圖