近日，東京大學和產業技術綜合研究所（產綜研）聯合宣布，他們將氮化硼(BN)填料與環狀高分子聚輪烷(PR)復合，開發出了一種導熱性能可與金屬媲美的絕緣導熱復合片材。詳細內容已刊登在涉及聚合物和增強材料等復合材料領域的學術期刊《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》上。

左：帶有定向 BN 填料的高導熱橡膠板；右：技術要點

研究背景

隨著設備的高功能化和小型化，電子元件的發熱密度持續增加，需要將這些熱量傳導至散熱部件以防止電子元件過熱和誤操作，因此需要一種名為“熱界面材料”的散熱片。熱界面材料不僅需要在片材厚度方向上具有高熱導率，還需要具有柔韌性以緊密貼合各種形狀的電子元件并傳遞熱量，同時還需具備從外部電氣保護電子元件的絕緣性。然而，迄今為止，實現具有10W/mK以上熱導率、100MPa以下楊氏模量（代表橡膠柔軟性）以及電氣絕緣性的熱界面材料一直未能成功。因此，研究團隊決定致力于實現這一目標。

研究進展

據悉，PR是一種由直鏈高分子（聚乙二醇）和在其上運動的環狀分子（環糊精）組成的“超分子”，以這些環狀分子為交聯點的橡膠具有易延展且不易撕裂的特性。在此項研究中，研究團隊利用他們擅長的水中等離子體處理方法，在PR表面引入了羥基等官能團，作為均勻分散填料的方法。

而六方氮化硼是一種常見的填料材料，同時也是一種電氣絕緣體，在20℃時具有392W/mK的高熱導率。通常BN填料具有板狀單晶結構，并在板面方向上表現出高熱導性，因此在與橡膠復合時，最好是使填料的板面相互對齊，才能最大程度發揮其導熱性能。

然而，當將表面改性后的填料在高分子材料中進行定向時，傳統的“正弦波交流電場”由于電場強度不足和長時間施加時產生的介電加熱會促進溶液的凝膠化，導致無法充分定向。因此，本次研究采用了脈沖交流電場，并改進了電極配置，將電場強度提高到傳統方法的50倍。這使得在短時間施加電場時，能夠抑制高分子的凝膠化，同時顯著提高BN填料的定向度。

橡膠復合材料中BN填料（平均粒徑7μm）的電場取向和結構評價結果

另外，已有報告指出，在正弦波交流電場施加下，當填料濃度超過30%wt時，難以實現定向。相比之下，本次采用的脈沖交流電場施加下，即使在填料濃度達到最高65%wt時也能實現定向。實際上，脈沖交流電場處理的BN填料與橡膠復合片材在厚度方向上展示了高達11W/mK的熱導率，與金屬相當。同時，本次開發的片材顯示出58MPa的楊氏模量，達到橡膠級別的低值，體積電阻率為1.9×10^11Ω·cm，證明其具有電氣絕緣性。

未來，研究團隊將進一步優化填料的電場取向條件和復合條件，以提高導熱性和柔韌性。該公司還將與其他公司合作進行研究，以提高熱中間層材料的實用性能和耐用性，旨在將其作為散熱片商業化。

粉體圈Coco編譯