离子液体辅助氮化硼极化取向的双重实验-模拟研究：聚合物复合材料中导热通路的工程构建

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Dual experimental-simulation study of ionic liquid-assisted polarized alignment of boron nitride: engineering thermal conductive pathways in polymer composites

本文针对高功率密度电子器件热积累问题，研究团队通过离子液体(IL)辅助电场定向排列氮化硼(BN)，在聚二甲基硅氧烷(PDMS)基体中构建高效导热通路。分子模拟揭示IL与BN间存在范德华力和静电相互作用，促使BN在电场下定向排列。所得IL/BN/PDMS复合薄膜导热系数达0.625 W·m-1·K-1，较未取向薄膜(0.461 W·m-1·K-1)显著提升，低频介电常数增强而介电损耗仅小幅增加。该研究首次阐明IL辅助BN排列机制，为高性能热管理材料开发提供新策略。

　　

随着现代电子设备朝着高度集成化、微型化方向发展，功率密度持续攀升导致的热积累问题日益凸显。传统的热管理材料已难以满足高效散热需求，而导热聚合物复合材料因其加工便捷、重量轻、成本低等优势展现出巨大潜力。然而，聚合物固有的无定形分子链结构导致其本征导热系数极低，以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为例，其导热系数仅为0.178 W·m^-1·K^-1。通常需要添加大量无机填料才能形成有效导热网络，但过高填料含量会恶化材料力学性能。因此，如何在低填料负载下构建高效导热通路成为当前研究的关键挑战。

针对这一难题，青岛科技大学王建文团队在《Advanced Composites and Hybrid Materials》上发表研究，创新性地采用离子液体(IL)辅助电场定向排列技术，成功实现了氮化硼(BN)在PDMS基体中的可控取向，显著提升了复合材料的热导率。该研究通过实验与分子模拟相结合的双重验证手段，首次揭示了IL与BN在电场下的协同取向机制。

研究团队采用了几项关键技术方法：通过材料工作室(Materials Studio)进行分子动力学模拟，分析IL与BN的相互作用机制；采用非侵入式均质器制备IL/BN/PDMS三元复合薄膜；利用正弦交流电场(2 kHz, 2 kV_pp/mm)实现填料定向排列；通过扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析(EDS)表征微观结构；采用热导率测试仪和阻抗分析仪分别评估热性能和介电性能。

3.1 IL辅助BN排列分析

SEM结果显示，IL在PDMS基体中均匀分散为直径约2μm的小球，在电场作用下沿面外方向明显排列。而BN/PDMS复合材料中，即使施加相同强度电场，BN填料仍保持均匀分布，无明显排列结构。令人惊喜的是，IL/BN/PDMS复合薄膜中的BN填料呈现出明显的排列结构，表明IL能有效促进BN在电场下的取向。EDS分析显示，BN中的B、N元素和IL中的F、S元素均形成条纹状聚集且高度重叠，证实IL聚集在BN周围，形成IL包覆BN的结构。

3.2 IL辅助BN排列的机制

分子模拟通过建立BN晶体、IL分子和PDMS链(P110)模型，深入研究了IL与BN的相互作用机制。吸附模拟表明，IL与BN主要通过范德华力和静电相互作用结合。吸附密度图显示IL分布在BN表面，证实了IL包覆BN的假设。分子动力学模拟进一步表明，即使在电场作用下，IL仍能牢固吸附在BN表面。结合能计算显示，IL与BN的结合能绝对值大于IL与PDMS、BN与PDMS的结合能，说明IL在PDMS基体中仍能吸附在BN表面，并在电场作用下克服基体阻力实现定向排列。

3.3 导热性能

填料排列通常能增强聚合物复合材料的导热性能。研究系统考察了BN和IL含量对复合材料导热性能的影响。当固定IL含量为PDMS质量的10%，改变BN含量时，电场辅助排列的样品始终表现出更高的导热系数。当固定BN含量为PDMS质量的20%，改变IL含量时，未加电场样品的导热系数随IL含量增加略有下降，而排列样品的导热系数先增后减，在IL质量比为0.5%时达到峰值。在IL:BN=1:4的最佳配比下，含38 wt% IL/BN的排列样品导热系数达到0.625 W·m^-1·K^-1，较未排列薄膜(0.461 W·m^-1·K^-1)显著提升，几乎是纯PDMS(0.178 W·m^-1·K^-1)的四倍。热红外成像显示排列样品具有更快的热传导速率。

3.4 介电性能

排列样品在高频下介电常数几乎与频率无关，但在低频下急剧增加。这归因于IL和BN的高介电常数、电场下的排列以及离子、空间电荷、取向和极化的贡献。在未排列样品中，界面极化发生在IL与BN、IL与PDMS基体以及BN与PDMS基体之间，加上IL的离子极化和微电容结构形成，导致低频介电常数增加。在排列样品中，IL和BN沿电场方向取向，形成高介电常数区域，显著增强了复合材料的介电常数。介电损耗方面，排列样品仅小幅增加(tanδ从~0.5增至~1.5)，表明总体损耗较低。电导率和电阻率测量显示排列样品电导率略有增加，相应电阻率下降，但材料整体绝缘性能仍然优异。

该研究成功制备了IL/BN/PDMS导热复合材料，并提出了IL辅助BN在电场下取向的机制。分子模拟与实验分析相结合，揭示了PDMS基体中IL与BN之间存在范德华力和静电相互作用。在相对较低的IL/BN负载量(38 wt%)下，排列复合材料的导热系数从未排列复合材料的0.461 W·m^-1·K^-1显著提升至0.625 W·m^-1·K^-1。同时，复合材料表现出优异的介电性能，低频介电常数显著增加而介电损耗仅适度增加。这项研究首次阐明了IL辅助BN排列的机制，凸显了电场辅助排列在制备高性能导热复合材料中的独特优势。材料卓越的热性能和介电性能使其非常适用于先进电子设备的热管理应用。