同济大学王正洲/南昆大宋平安《afm》:高导热各向异性纳米复合薄膜，有效实现智能手机和大功率led模块高效散热
来源：高分子科学前沿
随着5g通信时代到来，现代多功能电子设备小型化、致密化和功率密度增加，在有限的时间和封闭空间内不可避免地产生大量的热量积累。产生的热量会严重影响源电子元件的使用可靠性和寿命，甚至会引发火 灾。开发能够有效散热的热管理材料至关重要。现有热管理材料仍存在各种弱点。金属和陶瓷材料具有高硬度和高密度，而轻质柔性聚合物复合材料通常表现出相对较低的热导率，因此极大地限制了它们在5g器件领域的实际应用。因此，迫切需要设计具有超高平面内导热性的聚合物热管理材料。
面临上述需求，同济大学王正洲、南昆士兰大学宋平安等合作通过苯基膦酸盐（ppa）的逐层组装生产了类珍珠层各向异性纳米复合膜ppa@gnps-pvp。制备的纳米复合材料具有高柔韧性、可达到259 mpa的高拉伸强度和82.4 w m-1 k-1的超高面内导热系数。有效冷却智能手机和大功率led模块，优于商用锡箔。所设计的纳米复合材料是阻燃的，并且可以屏蔽电磁干扰。相关工作近期以题为“scalable, robust, low-cost, and highly thermally conductive anisotropic nanocomposite films for safe and efficient thermal management”发表在了《advanced functional materials》上，为大规模生产导热纳米复合材料提供了一个总体策略，在电子、军事和航空航天领域热管理材料上具有巨大的发展前景。
在材料制备过程中，通过苯基膦酸盐（ppa）作为石墨烯纳米片（gnps）的表面改性剂，以提高其亲水性，并作为易燃成膜剂pva的阻燃剂。其中ppa分子可以通过π-π堆积作用粘附到gnps表面。此外，ppa中的膦基和pva中的羟基之间的氢键相互作用保证了它们之间的强界面。在ppa@gnps-pva基材（第一层）干燥后，将gnps水溶液浇铸到表面，然后再浇铸另一层ppa@gnps-pva溶液使用刀片涂层，重复涂层五个周期后，得到p@g-pva/g多层纳米复合薄膜。
类珍珠层纳米复合薄膜的设计
在透射电镜下，ppa@gnps保持片状形状，但表面变得模糊，片状表面似乎覆盖着ppa分子聚集体的小黑点，表明ppa在gnps表面的表面修饰。此外，拉曼光谱结果进一步表明表征gnps的功能化。各种结果显示，获得的高度填充的类珍珠层具有各向异性结构，有望显示出优异的机械和导热性能。
薄膜材料表征
对材料进行机械性能测试，制备的纳米复合材料具有高柔韧性、可达到259 mpa的高拉伸强度和82.4 w m-1 k-1的超高面内导热系数，0.12g的15p@g-pva/10g薄膜可承受2.0 kg重量，在静态拉伸力下不会断裂，超过其自身重量的16 600倍，进一步表明其坚固的机械性能。
材料的力学性能
随着各层gnps含量和温度的增加，纳米复合薄膜的面内热导率（λ）逐渐增大。测试结果显示，15p@g-pva/10g薄膜在25℃时热导率为82.4 w m–1 k–1，约为纯pva的411倍。为了更好地了解所制备材料的散热性能，通过有限元仿真模型与商用金属基锡箔、未经处理的pva薄膜进行比较，过将样品放置在热源的上表面来模拟，得到p@g-pva/g薄膜的中心温度最低，有望成为大功率电子器件的散热片。
薄膜热传导效果
为了演示15p@g-pva/10g复合薄膜在真实电子产品中的实际热管理性能，首先将其用作冷却智能手机的热传导，同时使用了一种具有可比平面λ为67 w m-1 k-1的商业锡箔进行比较，智能手机的背面温度可通过红外温度计记录。在运行大型游戏程序5分钟后，智能手机的背面温度从29.2℃迅速上升至39.9℃。在整合15p@g-pva/10g复合膜和商用锡箔后，智能手机背面温度分别为36.9℃和38.4℃，意味着15p@g-pva/10g薄膜的传热效率高于锡箔材料。研究人员进一步在led芯片上进行应用演示，各种结果表明，15p@g-pva/10g纳米复合薄膜作为高效热管理材料在大功率电子器件中具有广阔的应用前景。
热管理应用演示
作为理想的热管理材料，考虑到其在高温下的工作可能引发火 灾，消防安全对于其实际应用至关重要。在垂直燃烧测试中，15g-pva/10g复合薄膜在点火后会严重燃烧，并持续燃烧22秒，直到整个薄膜燃烧殆尽，相比之下15p@g-pva/10g复合膜不能被酒精灯点燃，只有少量烟雾散发，即使在60秒的火焰曝光后，薄膜仍保持其原始形状。除了固有的耐火性外，所制备的纳米复合薄膜的另一个优点是它们表现出优异的电磁干扰屏蔽效率（emi se），开发的15p@g-pva/10g纳米复合薄膜在12ghz时具有较高的电磁干扰强度（37.8db），这种emi se值足以满足大多数商业应用的最低要求。预计这些薄膜将在电子、汽车、军事和航空航天领域得到许多实际应用。
材料的耐火性和抗干扰性