纳米银和硫化钨协同降低氮化硼纳米管基热界面材料界面热阻的机理研究

Interfacial thermal resistance (ITR) is the key issue of determining the thermal conductive performance of packaging polymeric thermal interface materials. According to the literature reports and our previous work, traditional method of simply mixing thermal conductive filler generates a high thermal resistance. In this project, we use highly thermal conductive boron nitride nanotube (BNNT, heat transferring channel), tungsten sulfide (WS2, heat collecting), and silver (Ag, heat transferring bridge) nanomaterials, the interfacial welding of these materials on an atomic level is achieved through in-situ growth by combining the facile bottom-up approach of hydrothermal synthesis and photo-deposition, which favors the construction of “BNNT-WS2-Ag” synergistic heat collecting, transporting, and dissipating network to reduce the ITR. The fabricated BNNT/WS2/Ag epoxy thermal interface material will be investigated by scanning thermal microscopy along with the thermal conductive models. In this project, we aim to reveal the synergistic working mechanism of WS2 and Ag in reducing the ITR and their interfacial thermal transferring process, meanwhile, the bridging effect of Ag nanoparticle on constructing the networked thermal conductive composite and benefitting its heat transfer property will be also disclosed. We believe those will provide a reference and better understanding of interfacial thermal conductive mechanism for designing and developing high-performance thermal interface materials.

界面热阻是制约电子封装用热界面材料导热性能的关键问题。目前研究发现，传统混合导热填料制备聚合物热界面材料的方式导致界面热输运严重受阻。本项目采用高导热的氮化硼纳米管(BNNT,导热通道)，硫化钨纳米片(WS2,集热片)和银(Ag,导热桥)，通过简易的水热法和光沉积法以“自下而上”原位生长的方式实现三者界面处原子层面的“焊接”，构筑协同导热的“BNNT-WS2-Ag”“集热-导热-散热”网络化通道，降低界面热阻，实现及时高效地散热。并以此为填料制备聚合物热界面材料，通过扫描热显微技术和导热理论模型，阐明WS2和Ag降低 BNNT与有机基体间界面热阻的协同作用和界面热输运机制，揭示Ag在构筑导热网络中的增强作用及其对提高导热性能的影响。本项目的实施，有望揭示和完善多元填料及有机基体界面间的协同导热机制，为研发高效电子封装用热界面材料提供新的设计思路和基础实验依据。

界面热阻是制约电子封装用热界面材料导热性能的关键问题。当前使用的聚合物基热界面材料的设计和制备方式导致界面热输运严重受阻。本项目采用理论计算和实验相结合的方式研究和发展了具有地界面热阻的热界面复合材料。理论计算和预测了接触界面层对于降低界面热阻和构建三维网络的影响机制，并联合采用水热法、光沉积法和冰模板法制备了MXene/Ag(银)、BNNT/WS2和BNNT/WS2/Ag纳米异质结填料，并利用热压法将其组装在环氧树脂中作为导热骨架。研究证明在三维MXene/Ag气凝胶作为热传递骨架的复合结构中。表面原位修饰的银纳米粒子可以保证纳米MXene片间良好的接触，并降低单个MXene片之间的接触电阻。模拟计算表明MXene/Ag-环氧纳米复合材料的界面热阻(R0)为4.5×10−7 m2 K W-1，低于MXene-环氧纳米复合材料的界面热阻(Rc = 5.2×10−7 m2 K W-1)，表明Ag颗粒增强了界面热传输。在15.1 vol.%的相对低的填充量下，穿过平面的热导率达到高达2.65 W m−1 K−1的值，比纯环氧树脂的热导率高1225%。此外，阐明了WS2和Ag协同降低BNNT与有机基体间界面热阻的协同作用和界面热输运机制，揭示了Ag“导热桥”在构筑三维导热网络中的增强作用机制，研究发现，在15.4 wt.%的填料填充量下，BNNT/WS2/Ag-环氧树脂纳米复合材料在面内(21.5 W m−1 K−1)和面外热导率(7.632 W m−1 K−1)方面都优于所有其它的纳米复合材料。银“焊接”的BNNT/WS2填料具有高导热性能，在整个环氧树脂基体中形成交联热网络，有效降低了填料-填料和填料-环氧树脂之间的界面热阻(约2.18 ×10-8 m2 K W-1)，红外热像也显示本项目研发的复合材料热传导较快，证明其较好的热管理应用潜力，为发展实用的热界面材料提供了新的设计思路、理论计算参考及实验参考。