近年來，集成電路和高功率器件的有效散熱已經成為制約其發展的主要因素，特別是隨著尖端電子產品多功能化和小型化趨勢的快速發展，高熱導率已經不再是先進熱管理材料的唯一需求，優異的電絕緣和機械性能等也應予以重點考慮。聚合物材料電絕緣性能好，機械強度高，廣泛應用于電子封裝領域，但其本征熱導率很低(0.1 – 0.5 W m^-1 K^-1)，難以滿足日益增長的散熱需求。目前，主要通過在聚合物基體中加入絕緣的高導熱填料(如Al₂O₃、AlN和h-BN等)來提高聚合物基體的熱導率，并保留乃至增強其電絕緣性能。前期研究表明，石墨烯相較于塊體石墨而言，性能更加優越，是理想的導熱增強填料，但其導電的特性無法滿足電子封裝對電絕緣性能的要求。所以，通過剝離h-BN塊材制備得到的兼具高面內熱導率(理論上可達1700 – 2000 W m^-1 K^-1)和高擊穿強度(≈ 35 kV mm^-1)的六方氮化硼納米片(BNNS，又稱“白色石墨烯”)日益受到關注。為了充分利用BNNS的本征高熱導來提高復合材料的導熱性能，研究者們主要將目光集中在BNNS導熱逾滲網絡的構筑和BNNS/聚合物基體之間的表/界面修飾上，而對BNNS的長徑比(定義為橫向尺寸除以厚度)對復合材料導熱性能的影響卻涉獵不多。相關研究表明，提高石墨烯長寬比對石墨烯基復合材料的導熱增強有積極作用。因此，大長徑比的BNNS或許能夠成為提高氮化硼基導熱復合材料熱導率的新途徑。

近日，中科院寧波材料所林正得研究員、湖南大學陳鼎教授、中科院深圳先研院魯濟豹副研究員(共同通訊作者)人開發了一種基于微射流技術剝離制備BNNS的方法，該方法產率高(70 – 76%)，效率好，所得的BNNS長徑比高達≈ 1500。由這種BNNS和聚乙烯醇(PVA)基體通過抽濾制備的復合薄膜，在BNNS含量為83 wt％時，平面內熱導率可達67.6 W m^-1 K^-1，相較于基體熱導率提高了≈ 355倍，每1 wt% BNNS對熱導率的提高幅度更是達到了極高的427%，并兼具優良的力學和電學性能。該復合薄膜作為勻熱膜使用時，相較于柔性覆銅板，具有更優越的散熱性能。上述成果為現代電子設備的熱管理材料開發提供了新的思路，并以題為“Ultrahigh-Aspect-Ratio Boron Nitride Nanosheets Leading to Superhigh In-Plane Thermal Conductivity of Foldable Heat Spreader”發表在了ACS Nano上。

圖1 BNNS的形貌和結構表征

(a)微射流工藝過程及其(b)批量化制備展示。125 MPa壓力下制備的BNNS的(c) AFM、(d) TEM和(e) HR-TEM圖像。h-BN和BNNS(f)拉曼光譜、(g) XRD、(h) FTIR、高分辨率(i) B1s和(j) N1s XPS光譜的對比。

圖2 施加壓力對BNNS長徑比的影響

不同施加壓力下制備的BNNS的(a–d) SEM及(e–h) AFM圖像。(i) 75 MPa施加壓力下制備的BNNS的橫向尺寸和(j)厚度分布統計。(k) BNNS的縱橫比和及(l)產率與施加壓力之間的關系。

圖3 BNNS/PVA復合薄膜的制備與表征

(a)抽濾制備BNNS/PVA復合薄膜的過程示意圖。(b)復合薄膜實物照片及其(c) TGA曲線。83 wt%含量下(d) BNNS-1000/PVA和(e–g) BNNS-1500/PVA的表面和橫截面SEM圖像。

圖4 BNNS/PVA復合薄膜的熱學性能

復合薄膜的(a)面內熱擴散系數和(b)熱導率與BNNS長徑比及含量之間的關系。(c) BNNS-1500/PVA (83 wt%)的冷熱循環測試(d)樣品與文獻中報道的氮化硼基復合材料的比TCE值比較，以及(e)上述復合材料所使用的填料長徑比對比。(f)大長徑比BNNS聲子傳輸優勢的機理解釋及(g)基于有限元分析的大小長徑比BNNS傳熱能力的對比。

 圖5 BNNS-1500/PVA復合薄膜的力學性能

83 wt%含量下BNNS-1500/PVA復合薄膜具有(a)良好的機械強度和(b)高度可折疊性，(c)易于裁切成型。(d)循環彎曲試驗及其相應的(e)形貌和(f)面內導熱率變化。

圖6 復合薄膜的實際散熱測試

(a) PVA、FCCL和本樣品的實物照片。(b)實際散熱測試的實驗系統設置。(c)使用不同薄膜作為勻熱膜時LED芯片的中心溫度隨運行時間的變化，及其(d)相應的IR圖像。