三维石墨相氮化碳纳米片/纤维素纳米纤维/环氧树脂复合材料的构建及其在高电压应用中的导热与绝缘性能协同增强研究

为解决高集成度电力电子器件局部热积累严重及传统高导热聚合物复合材料击穿强度(Eb)下降的难题，西安科技大学团队通过冰模板法和浸润工艺构建了g-CNNS/CNF/EP三维网络结构。该材料在10.4 wt%填料含量下实现导热系数(TC)1.06 W/(m·K)和Eb 34.7 kV/mm的同步提升，同时保持低介电常数(ε=2.47)和损耗(tanδ=0.022@103 Hz)，为高频微电子器件封装提供了创新解决方案。

　　

随着5G时代电子器件集成度的爆炸式增长，芯片尺寸缩小与组件数量激增形成了尖锐矛盾——单位面积产热量呈几何级数上升，而传统环氧树脂(EP)仅0.2 W/(m·K)的导热系数(TC)根本无法满足散热需求。更棘手的是，常规添加高导热填体的方法往往以牺牲绝缘性能为代价，导致击穿强度(E_b)断崖式下跌。这种"导热与绝缘不可兼得"的困局，已成为制约高电压、高频电子器件发展的阿喀琉斯之踵。

西安科技大学研究团队独辟蹊径，选择具有类石墨烯结构的二维材料石墨相氮化碳纳米片(g-CNNS)作为导热载体，通过高温氧化剥离法制备超薄纳米片，并创新性地引入羧基化纤维素纳米纤维(CNF)作为三维骨架。采用冰模板定向冷冻技术构建具有垂直通孔结构的g-CNNS/CNF气凝胶，再通过真空浸渍将EP注入网络孔隙，最终获得具有多尺度界面调控功能的三元复合材料。

关键技术包括：高温氧化剥离制备g-CNNS、冰模板法构建三维网络、真空辅助EP浸润工艺。通过X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)证实g-CNNS成功剥离并保留晶体结构，扫描电镜(SEM)显示CNF形成均匀支撑骨架，g-CNNS通过氢键作用均匀锚定在纤维表面。

化学结构表征
XRD显示g-CNNS保留原始g-CN的(100)和(002)晶面特征峰，但(002)峰宽化表明成功剥离为少层结构。FTIR证实CNF的羟基与g-CNNS边缘基团形成氢键，为界面声子传输奠定基础。

导热与介电性能
10.4 wt%填料含量的复合材料TC达1.06 W/(m·K)，较纯EP提升4倍。E_b逆势增长至34.7 kV/mm，源于CNF限制EP链段运动及氢键网络抑制电荷迁移。高频下ε和tanδ分别低至2.47和0.022，满足5G通信要求。

机理分析
CNF通过物理交联增强EP界面粘附，其羟基与g-CNNS形成的氢键网络构建了声子传输高速公路。三维连续结构显著降低界面热阻，同时CNF骨架阻碍载流子迁移，实现TC与E_b的协同提升。

该研究突破性地证明：通过精确调控三维网络结构和界面氢键相互作用，可打破聚合物复合材料"高TC必低E_b"的传统认知。所开发的材料体系在10³ Hz频率下兼具优异导热、绝缘和低介电损耗特性，为高电压变压器绝缘材料、5G基站散热模块等应用提供了全新设计思路。特别是冰模板法构建的垂直取向结构，为开发各向异性热管理材料开辟了新路径，对推动我国高端电子封装材料自主化具有重要战略意义。