构建“片-球”互锁网络结构：一种提升聚氨酯复合材料导热性能的简易策略

本文针对5G/高功率电子器件的热管理需求，提出了一种通过刮涂法制备PDA-BNNSs/APTES-Al2O3/CNF/WPU（BACW）复合材料的新策略。该研究通过界面修饰（聚多巴胺功能化BNNSs和APTES接枝Al2O3）和结构设计（纤维素纳米纤维桥接构建三维“片-球”网络），在低填充量下显著提升了复合材料的贯穿平面导热系数（TC），为高性能热界面材料（TIM）的开发提供了新范式。

　　

Highlight

通过简便的刮涂法构建“片-球”网络结构，显著增强聚氨酯复合材料的导热性能

Introduction

随着5G通信、人工智能和高功率电子设备的快速发展，电子元件的功率密度呈指数级增长，使热失效成为限制设备可靠性和寿命的关键瓶颈。聚合物材料因其轻质、耐腐蚀和易加工的特性，在电子封装、动力电池和航空航天热防护等领域展现出重要价值。然而，传统聚合物（如聚乙烯醇、环氧树脂、聚氨酯）的本征导热系数通常低于0.2 W/(m·K)，难以满足高功率场景下的高效散热需求。尽管通过引入陶瓷、金属或碳基填料可以提升复合材料的导热性能，但高填充量（通常＞50 wt%）往往导致柔性下降、加工性能变差和界面应力集中，严重限制了其实际应用潜力。

近年来，研究人员致力于通过构建三维导热网络来优化聚合物基复合材料的导热性能。冰模板法、刮涂法和牺牲盐模板法等策略能够在低填充量下显著增强热通路的连续性，形成“珠链层”或“豆荚状”结构，但其复杂耗时的特性限制了大规模应用。氮化硼纳米片（BNNSs）和氧化铝（Al₂O₃）因其高导热性、绝缘性和成本优势被视为理想填料，但实现二者协同效应仍具挑战。张等人通过异质结构工程制备了具有“点-面”结构的BNNSs@Al₂O₃/PVA复合薄膜，在30 wt%填充量下采用刮涂法实现了0.651 W/(m·K)的导热系数。然而，该方法需要复杂的异质结构构建，导致生产成本高且工艺效率低。赵等人采用直接共混法简化了制备工艺，但需要60 wt%的高填充量才能实现较环氧树脂257%的导热提升。因此，在低填充量、高导热效率和成本可控的制造之间取得平衡，仍是该领域的关键科学挑战。

化学修饰和界面优化是解决低填充高导热挑战的有效方法。功能化修饰（羟基化、聚多巴胺包覆等）可有效改善填料界面相容性，减少声子散射，提升界面传热效率。安等人开发了基于羟基化氮化硼纳米片（OH-BNNS）的热界面材料，实现了具有卓越贯穿平面导热系数（21–25 W/(m·K)）的聚合物复合材料。丁等人采用聚多巴胺（PDA）包覆的BNNSs制备了PDA-BNNSs/聚酰亚胺复合材料，在20 wt%填充量下获得了3.01 W/(m·K)的面内导热系数。纤维素纳米纤维（CNF）凭借其高长径比、丰富的表面官能团（羟基和羧基）和生物相容性，已成为构建三维导热网络的有效桥接剂。

Conclusion

总之，本研究通过简易的刮涂法成功制备了具有“片-球”互锁导热网络的BACW复合材料。通过优化PDA-BNNSs与APTES-Al₂O₃杂化填料的质量比并利用CNF作为桥接剂，实现了填料的均匀分散和三维互穿导热网络的构建。在最佳质量比1:2.5下，BACW表现出0.712 ± 0.0068 W/(m·K)的导热系数——达到纯WPU（0.186 ± 0.0084 W/(m·K)）的3.96倍，并优于无CNF的BAW复合材料（0.621 ± 0.0139 W/(m·K)）。有限元模拟验证了这些结果。作为LED热界面材料，BACW在1分钟内将峰值温度降至57°C（WPU为74.2°C）并加速冷却。这种“界面修饰-结构设计-工艺优化”的协同策略为工程化应用的高导热热界面材料（TIM）提供了范式。