低介电材料在微电子学中得到了广泛的应用，但受到机械性能和导热性差的限制。本研究通过用3D互连的聚对亚苯基苯并双恶唑（PBO）纳米纤维网络代替传统的聚合物基体，开发了一类基于氟化石墨烯（FG）的纳米复合薄膜。FG纳米片均匀分布在PBO纳米纤维（PBONF）的多孔网络中，有序堆叠，形成珍珠层状层状结构，同时铺平了有效的热传导路径。最终，FG和PBONF之间的强界面结合和高效协同作用赋予了复合薄膜无与伦比的拉伸性能（强度和模量分别高达295.4 MPa和7.79 GPa）和耐折性（1000倍后拉伸性能不会下降），超低介电常数（低至1.71）和出色的导热性（12.13 W m–1 K–1）。此外，这些FG/PBONF复合薄膜还表现出超高的热稳定性（失重温度高于540°C的5%），这使得它们有望用于极端环境下大功率电子设备的散热。
图1.编制PBONF和FG/PBONF。（a） PBOMF的SEM图像。（b） PBONF的TEM图像。（c） 含有3D互连网络的PBONF凝胶的SEM图像。（d） 溶胶-凝胶-薄膜转化过程的照片。（e） FG/PBONF复合薄膜制备工艺示意图。
图2.PBONF和FG/PBONF的结构、力学性能和耐折性。（a） ATR-FTIR和（b） PBOMF和PBONF的XRD光谱。（c） FG纳米片的TEM图像。（d） 应力-应变曲线。（e） FG/PBONF的拉伸强度、拉伸模量和（f）断裂伸长率。（g） PBONF、（h） FG40/PBONF 和 （i） 商用聚酰亚胺薄膜 （Kapton PI） 的拉伸强度和断裂伸长率的变化。
图3.FG/PBONF的微观形态分析.（a） FG/PBONF气凝胶的SEM图像。隐藏在PBONF的3D网络中的FG已被红色箭头突出显示。（b） FG的放大SEM图像，由气凝胶中的红色矩形框住。（c） FG与PBONF三维网络的界面相互作用。（d） FG10/PBONF 和 （e） FG40/PBONF 横截面的 SEM 图像。（f） FG40/PBONF横截面上选定区域的EDS元素映射。
图4.FG/PBONF的多功能特性。（a） 热重曲线。（b） 在不同频率下测量的介电常数和（c） 介电损耗。（d）阿什比图表明，在这项工作中开发的FG/PBONFs达到了新的机械强度和介电性能水平，超过了所有其他报告的低κ材料。（e） 体积电阻率随FG含量的变化。（f） 面内和通面TC对FG含量的依赖性。
图5.（a）PBONF和（b）FG40/PBONF的红外热图像。（c） PBONF 和 （d） FG40/PBONF 沿 x 轴的温度分布。
相关研究成果由中国科学院Shaohua Wu和Chuncheng Li等人2022年发表在ACS Applied Nano Materials (https://doi.org/10.1021/acsanm.2c04137)上。原文：Mechanically Robust Fluorinated Graphene/Poly(p-Phenylene Benzobisoxazole) Nanofiber Films with Low Dielectric Constant and Enhanced Thermal Conductivity: Implications for Thermal Management Applications。
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