《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》：Bioinspired interfacial crosslinking for functional polymer composites with high adhesion and thermal conductivity in low-pressure packaging
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摘要在应用中，界面对于热量/力的传递至关重要，尤其是在电子封装领域。界面材料需要具备高的导热性和强的粘附性，以确保电子设备的稳定性。然而，由于材料要求的冲突，实现良好的散热性和粘附性一直是一个挑战。受到肌腱与骨骼粘附过程中Sharpey纤维的启发，本文提出了一种界面交联策略，通过
摘要
在应用中，界面对于热量/力的传递至关重要，尤其是在电子封装领域。界面材料需要具备高的导热性和强的粘附性，以确保电子设备的稳定性。然而，由于材料要求的冲突，实现良好的散热性和粘附性一直是一个挑战。受到肌腱与骨骼粘附过程中Sharpey纤维的启发，本文提出了一种界面交联策略，通过将硼酸酯键和铝（Al）填料网络整合到环氧聚合物复合材料中，以提高热量/力的传递能力。硼酸酯键通过B-O共价键增强了材料的固有粘附能，而铝网络则改善了整体的散热性能并抑制了裂纹的产生。所制备的聚合物复合材料在低压条件下表现出最高的粘附强度（11.72 MPa）和粘附能（8146.4 J m?2），同时具有极低的热阻（0.28 K cm2 W?1）。此外，具有最高导热性（4.97 W m?1 K?1）的复合材料依然保持了较高的粘附强度（11.18 MPa）。我们还通过表面能计算、Kraus模型、Chaudhury模型和分子动力学研究，阐明了界面交联在高粘附性能背后的分子机制。此外，这些聚合物复合材料在低压封装条件下展示了有效的散热能力和机械稳定性。本研究解决了下一代先进电子设备中界面处平衡热量/力传递的关键问题。
引言
在热电能量转换[1]、新能源汽车[2]、电子封装[3]和功率设备[4]等各种应用中，界面在热量和力的传递中发挥着重要作用。作为界面材料的聚合物复合材料，提高了粘附性和导热性之间的兼容性，从而解决了界面处热量/力传递的问题[5,6]。当前电子设备功率密度的提高对聚合物复合材料的散热性能提出了更高的要求[7]。另一方面，大多数聚合物复合材料在应用过程中容易因弯曲和振动等应力而降解，因此高粘附性对设备稳定性至关重要[8]。此外，聚合物复合材料的有效热量/力传递依赖于界面处施加的高压[9]。在低压条件下，界面难以实现紧密接触，热阻和机械缺陷会显著增加。为了设备的稳定运行，迫切需要开发同时具有高粘附性和导热性的聚合物复合材料，以适应低压封装需求。
导热聚合物复合材料通常由聚合物和导热颗粒组成[10]。要实现高导热性，需要加入大量的刚性填料，但过多的填料会导致粘度和模量的大幅增加，从而影响界面的润湿性和顺应性，最终导致粘附性能下降[11,12]。传统的热界面材料（TIMs）具有较低的固有粘附能和不足的整体的散热能力，导致界面失效和散热效率低下，尤其是在缺乏机械夹持力的低压环境下[13,14]。大多数研究人员已经探索了各种策略，例如通过调整填料的方向来在保持最低填料含量的同时平衡导热性和粘附性[[15], [16], [17]]。Zhang等人通过在聚（多巴胺甲基丙烯酸酯-羟乙基甲基丙烯酸酯）中引入垂直排列的碳纳米管，实现了高粘附强度（6.38 MPa）和导热性（21.4 W/m K）[18]。不幸的是，这种方法需要复杂的工艺、较长的制备周期和高精度。其他尝试，如物理吸附或化学改性，难以形成稳定的界面相互作用，导致抗裂纹扩散、温度波动和机械应力的能力不足[19]。Zeng等人通过调节界面氢键作用设计了具有高粘附性的软/硬界面。然而，这种设计需要一定的封装压力才能实现低界面热阻[20]。
受到肌腱与骨骼独特粘附机制的启发——这种粘附作用归因于锚定在骨骼表面的Sharpey纤维，显著减少了裂纹的传播[21]，本文提出了一种界面交联策略，通过将铝（Al）填料网络和硼酸酯键整合到聚合物中，以实现高粘附能和热量传递的结合。界面交联作为“Sharpey纤维”可以有效减少界面裂纹的传播，而填料网络则可以防止聚合物内部的裂纹扩展。为了验证这一假设，我们以环氧/铝复合材料作为模型系统。通常，导热性测试中对界面材料施加的压力超过10 psi。在这里，我们将低压封装定义为外部组装压力低于1 psi的包装条件。所制备的B150E/Al80聚合物复合材料在1 psi压力下实现了11.72 MPa的高粘附强度和8146.4 J m?2的粘附能，以及1.84 W m?1 K?1的导热性和0.28 K cm2 W?1的热阻，优于现有的聚合物复合材料。我们通过表面能计算、Kraus模型、Chaudhury模型和分子动力学进一步阐明了界面交联在高粘附性能背后的分子机制。此外，我们证明了所制备的聚合物复合材料可以在低压条件下有效散热和保持机械稳定性。这项工作解决了下一代先进电子设备中平衡热量/力传递的关键需求，特别是在低压封装条件下。
章节摘要
高粘附性和导热性聚合物复合材料的设计与制备
传统的聚合物复合材料由于固有粘附能或整体散热能力较弱，表现出较差的粘附性能[11]。固有粘附能通常与锚定层的失效有关，而整体散热能力则源于聚合物复合材料的高变形[22]。本文提出了一种通过引入填料网络和基于硼酸酯的界面交联来增强热量/力传递能力的简便方法（图1a）。
结论
总之，我们提出了一种受生物启发的聚合物复合材料界面交联策略，通过整合硼酸酯键和铝填料网络，解决了低压封装条件下高粘附性和导热性之间的平衡问题。界面交联策略显著增强了聚合物复合材料的性能，提高了热量/力的传递能力。B150E/Al80复合材料在低压下实现了最高的粘附强度（11.72 MPa）和粘附能（8146.4 J m?2
CRediT作者贡献声明
Shipeng Rao: 文章撰写 – 评审与编辑，原始草稿撰写，数据分析。Kai Huo: 数据分析。Junwei Li: 实验研究。Menghong Li: 软件开发。Yubo Luo: 监督指导。Xin Li: 文章撰写 – 评审与编辑。Junyou Yang: 资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了中国国家自然科学基金（批准号：62304082）、国家重点研发计划（批准号：2020YFA0715000）和湖北省自然科学基金（批准号：2023AFB087）的支持。作者感谢华中科技大学分析测试中心提供的测试和表征服务。
Shipeng Rao|Kai Huo|Junwei Li|Menghong Li|Yubo Luo|Xin Li|Junyou Yang
