石墨纳米片基高导热复合基板的制备和应用研究

为了防止电子设备失效,电子器件的可持续和智能热管理变得越来越重要。在本文以碳基导热填料与高分子材料为基体制备高导热复合材料,具有较高的热导率及优良的散热效果。主要研究了石墨纳米片与羧甲基纤维素钠、聚酰亚胺,碳纳米管与聚酰亚胺复合材料的制备和应用。首先,我们研究了一种新型纳米复合材料的开发,这种复合材料基于高取向石墨纳米片(GNPs),通过可工业制造作为具有增强热导率和有效冷却效果的导热填料。首先,采用间隙涂覆法制备了大规模工业可利用的GNP/CMC纳米复合膜(GMF),其中,由于驱动界面的润湿性和CMC的相互作用,GNP是首选的纳米复合膜,具有很高的平面热导率。然后,以制备好的GMF和环氧树脂为填料和胶粘剂,采用分层热压法,制备出导热系数(约29.5W/(m·K))、密度低(1.14g cm-3)的GNP/CMC热板(GTPs),在电子冷却过程中表现出优异的散热性能。在1-3W的芯片功率下,我们的GTP基板上的芯片温度比传统聚碳酸酯(PC)基板上的芯片温度低18.9～47.7℃。GTPs的热导率提高的主要原因是其仿生“砖墙”结构,GMFs和环氧树脂分别作为砖和水泥,这与矿物和蛋白质作为砖和水泥的壳结构相同。其次,在制备石墨纳米片(GNP)/羧甲基纤维素钠(CMC)复合导热基板时,热固性环氧树脂起到复合材料骨架作用提高复合材料力学性能。但是导致层间胶层过多,产生热阻,使实际散热效果变差,利用(聚酰亚胺酸)PAA转变为聚酰亚胺(PI)的自结合作用,用PAA溶液替代CMC成为高分子基体,解决了层间热导率降低的问题,GNP/PI导热基板的热导率可达21.1W/(m·K),同时具备低密度 1.35g/cm~3。最后,利用碳纳米管本身的导热性提高聚酰亚胺基体的导热性并成为增强相提高其力学性能,大大提高了复合材料的综合导热能力。复合膜的抗拉强度可达(326MPa),同时兼具热稳定性和优异的导热性能(5.8W/(m·K))具备低密度0.38g/cm~3,为未来电子工业的轻薄化,柔性化提供了研究基础,具备广泛的应用前景。