近期，中科院合肥研究院固体所高分子与复合材料研究部田兴友研究员和张献研究员团队在高导热聚酰亚胺柔性绝缘膜研究方面取得新进展，利用氮化碳在石墨烯上原位生长和“类落叶”策略实现高导热聚酰亚胺柔性绝缘膜的构筑。相关研究成果以“ Enhanced thermal conductivity of carbon nitride-doped graphene/polyimide composite film via a “deciduous-like” strategy”为题发表在材料科学TOP期刊Composites Science and Technology (Compos. Sci. Technol., 205, 108693(2021))上。
电子产品的小型化和高密度集成化使其内部工作温度急剧上升，过热的工作环境会严重影响电子器件的可靠性和使用寿命。因此，为了保持电子器件的正常运行和长期稳定，高效的热管理是非常必要的。面对下一代电子产品更轻、更薄、可弯曲、可折叠甚至可穿戴的发展趋势，开发高导热的柔性聚合物薄膜材料已成为当前的研究热点。
鉴于此，研究团队首先通过将氮化碳（CN）在石墨烯（rGO）上原位生长，获得高导热且电绝缘的rGO@CN复合导热填料；进而采用“类落叶”策略实现低负载量的rGO@CN在聚酰亚胺(PI)膜中的分层构筑。相比于低添加量填料在聚合物基体中均匀分散、较难形成连续的导热通路来说，分层结构在构筑连续的导热通路方面有着独特优势。当rGO@CN填充量为10 wt%时，复合薄膜面内导热系数得到了显著的提高，达到6.08 W⸱m-1⸱K-1，这主要是由于构筑了良好导热通道以及CN与rGO之间良好的声子谱匹配。此外，通过红外热成像技术探究PI/rGO@CN复合膜实际散热效果，发现与纯 PI膜相比，PI/rGO@CN复合膜具有更加优异的面内热传递能力。氮化碳的引入，不仅抑制了rGO导电网络的形成，且其表面丰富的活性基团使rGO@CN与PI基体间有良好的相容性，从而避免了填料团聚，这是构筑有序导热通路的关键。该研究为工业生产高导热聚酰亚胺柔性绝缘膜提供了新的思路。
该工作得到了国家重点研发计划、中科院STS重点项目和安徽省自然科学基金等多个项目的资助。
文章链接：
http://sciencedirect.com/science/article/pii/S026635382100049X。
图1. 氮化碳在rGO上原位生长和PI/rGO@CN复合膜制备过程示意图。
图2. （a）PI/rGO@CN复合膜在不同填料含量下的面内导热率；（b）PI/rGO@CN复合膜的Foygel模型拟合；（c）CN和rGO的声子谱；（d）rGO@CN传热模型图；（e）GO@CN体系的稳态温度分布；（f）稳态条件下的能量随时间变化曲线；（g）PI/rGO@CN复合膜的热传递示意图。
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