研究具有优异的散热性能的双三维网络结构的石墨烯基复合材料

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背景介绍

由于电子器件逐渐朝着高集成度和高工作频率的方向快速发展，电子元件中的发热问题和电磁干扰（EMI）屏蔽严重增加。此外，EMI屏蔽过程将相当一部分电磁能量转化为热能，这进一步增加了在高功率辐射下的热量积累。这些问题严重影响电子设备的可靠性、稳定性和使用寿命，对人体健康也有危害。

通过将氮化硼（BN）、碳化硅（SiC）和氟化石墨烯等多种电绝缘和导热纳米材料引入聚合物基体中，以提高所制备的聚合物复合材料的导热性能和电绝缘性能是改性手段之一。然而，在聚合物复合材料中，通常需要大量的填料来实现理想的导热性，因此严重限制了成本、聚合物的可加工性和力学性能。除此之外，提高复合材料传热效率的最有效策略还包括在聚合物基体中建立高导热填料的三维导热网络。通过在聚合物基体中构建了几种三维结构，包括垂直排列结构、分离结构、核壳结构和自组装结构，以实现低填料负载下的高导热性能。这是因为3D结构可以构建有效的互连热通道，并减少填料-填料和填料-聚合物界面热阻的负面影响。但上述方法均存在样品制备耗时长、结构优化设计受限等缺点。

据目前报道，很少有报道使用牺牲模板在聚合物基体中创建纳米填料的3D导热通道，同时提高导热性，同时实现EMI屏蔽性能，同时实现电绝缘。此外，高导电性是优良的EMI屏蔽性能所必需的，但电子封装材料的高导电性会降低其电子电路的稳定性，因此对电气绝缘性能提出了更高的要求。在这方面，开发具有优异的导热性、EMI屏蔽效果、和电绝缘性能的电子封装材料是解决上述问题的研究热点。

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成果掠影

近日，韩国Sung Ryong Kim 教授团队针对制备具有高电磁干扰屏蔽（EMI）、导热性和电绝缘性能的电子封装材料取得新进展。在这项工作中，制备了具有双三维（3D）结构的石墨烯纳米片（GnP）和氟化石墨烯（GF）的聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合材料，该材料具有优异的电磁屏蔽效果、导热性和绝缘性。本文中首次制备了多孔GnP/PDMS泡沫的三维结构。然后采用真空渗透法将GF/PDMS溶液渗透到GnP@PDMS泡沫中，在GnP@PDMS/GF复合材料中形成GF的第二个三维网络结构。所制备的多孔GnP30@PDMS泡沫中的GnP含量为30 wt%的时候EMI效果为51.26 dB。此外，GF/PDMS第二个三维网络的引入对提高GnP30@PDMS/GF复合材料的导热性和电绝缘性能起着至关重要的作用。GnP30@PDMS/GF8复合材料的导热系数为1.47 W/（m·K），比纯PDMS提高了568%，电绝缘性能达到2.82×10-10 S/cm，电磁干扰SE为50.13 dB。GnP@PDMS/GF复合材料优异的电磁干扰SE与GnP的多孔互联网络相关，而提高的导热系数则是由于GnP和GF的双三维导热通道。此外，GnP@PDMS/GF8复合材料被证明具有出色的机械柔韧性、热稳定性和散热能力。因此，所研制的GnP@PDMS/GF复合材料在电子封装材料领域具有很大的应用前景。研究成果以“Dual 3D Networks of Graphene Derivatives based Polydimethylsiloxane Composites for Electrical Insulating Electronic Packaging Materials with Outstanding Electromagnetic Interference Shielding and Thermal Dissipation Performances”为题发表于《Chemical Engineering Journal》。

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图文导读

图1.GnP@PDMS/GF复合材料的制备示意图。

图2.三维多孔GnP@PDMS泡沫的SEM和EDS图像。

图3.GnP30@PDMS/GF0和GnP30@PDMS/GF8复合材料的SEM和EDS图像

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图4.复合材料的导电性与电磁屏蔽性能。

图5. 复合材料的导热系数以及导热机制示意图。

图6. 复合材料在芯片封装热管理中的应用。

审核编辑 ：李倩

性能网络结构能和

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