成果简介
随着5G信息技术的发展，对传统聚合物基电子封装材料的散热性能提出了更高的要求。在聚合物中制备相互连接的石墨烯纳米片框架是一种有效的方法。然而，目前制备石墨烯纳米片框架的方法通常比较复杂，而且交联密度较低。本文，昆明理工大学蔡晓明 副教授、蔡金明 教授团队在《ACS Appl. Nano Mater》期刊发表名为“Thermally Conductive Epoxy Resin Composites Based on 3D Graphene Nanosheet Networks for Electronic Package Heat Dissipation”的论文，研究制备了具有高交联密度的高质量石墨烯纳米片框架。当石墨烯含量仅为9wt %时，环氧树脂复合材料的面内热导率高达18.8Wm-1K-1，石墨烯含量每增加1wt %，热导率提高 1034%，优于大多数用于聚合物声子通路的传统石墨烯网络结构。这项研究提供了一种生产高交联密度石墨烯纳米片框架的简便方法，可启发未来石墨烯纳米材料在电子散热方向上的发展。
图文导读
图1. (a) GOA 和 GGA 的制造工艺示意图。(b) GGA样品的形状可以通过模具的形状来定制。(c) 方形GGA样品的宏观尺寸。(d) GGA样品展示了出色的定制能力。
方案1. 制备 GOA 和 GGA 的方案
图2. (a) GOA 石墨化后的结构转变示意图。(b, c) GOA 横截面的扫描电镜图像。(d, e) GGA 横截面的扫描电镜图像。(f) GOA、CRGA 和 GGA 的 XRD 图谱。(g) GOA、CRGA 和 GGA 的拉曼光谱。(h) GOA、CRGA 和 GGA 的 XPS 光谱。(i) GOA、CRGA 和 GGA 的傅立叶变换红外光谱。
图3. (a) GOA 和 GGA 的压缩回弹过程示意图以及 GGA 力模型模拟。(b) GGA/epoxy 复合材料的制备过程示意图。(c) 裁剪后的 GGAx/epoxy 系列样品。(d) GGA 在 20%、40%、60% 和 80% 压缩应变下的压缩应力-应变曲线。(e) 纯环氧树脂和 GGAx/epoxy 的压缩强度和压缩模量 (f)。
图4. (a) GGA 密度及其在复合材料中的含量与 GGA 压缩比的函数关系。(b) GGAx/epoxy 的面内热导率和面间热导率随石墨烯含量的变化。(c) GGAx/epoxy 的热导率增强（TCE）。(d) GGA 压缩导致复合材料热导率增强的示意图。(e) GGA/epoxy 横截面的扫描电镜图像。(f) GGA8/epoxy 横截面的扫描电镜图像。(g) GGAx/epoxy 样品在不同温度下的热导率。(h) GGA8/epoxy 复合材料在多次加热和冷却循环后的热导率。(i) 与其他三维石墨烯基复合材料的导热率比较。
图5. (a) 用于计算机芯片的环氧树脂示意图。(b) 测试封装材料的传热能力配置和 (c) 它们的光学图像。(d) GGAx/epoxy 样品和纯环氧树脂的升温曲线。(e) 纯环氧树脂、GGA6/环氧树脂和 GGA8/ 环氧树脂加热后的红外图像比较。
小结
总之，通过简单的冷冻干燥法制备了具有高交联密度的 GOA，并通过 3000 ℃ 石墨化处理获得了具有高质量石墨烯纳米片的 GGA。GGA 具有优异的机械性能，经不同压缩比处理并填充环氧树脂后，制备出具有高导热性的 GGAx/epoxy 复合材料。在石墨烯负载量仅为 9 wt % 的情况下，获得了平均 18.8 W m-1 K-1 的超高面内热导率，热导率提高了 9305%，而抗压强度仍保持在较高水平，因此 GGA/epoxy 在电子封装领域具有很大的应用潜力。散热模拟实验进一步证明了它具有良好的热稳定性和较好的散热性能。因此，将散热性能优异的 GGA8/epoxy 作为电子封装材料应用于热管理领域，可有效提高电子设备的寿命和稳定性。
文献：https://doi.org/10.1021/acsanm.4c01139
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