上海交通大学黄兴溢教授《ACS Nano》：导热、电绝缘PBO纳米纤维/氮化硼纳米片复合纸

随着5G设备和高功率密度电子器件的快速发展，对导热材料提出了更加迫切和更高的要求。介电聚合物复合材料的电绝缘性能、机械性能、热稳定性甚至防火性能在电气和电子领域具有重要的应用价值，因此具有广阔的应用前景。然而，目前介电聚合物复合材料导热性能的提高往往以降低机械性能和电绝缘性能为代价。

近日，上海交通大学黄兴溢教授课题组采用溶胶-凝胶-薄膜转换方法，制备了一种高导热且电绝缘的具有仿珍珠母微结构的聚对苯撑苯并二恶唑纳米纤维/氮化硼纳米片（PBONF/BNNS）纳米复合材料纸。当BNNSs含量为10 wt%时，纳米复合材料纸的面内热导率为21.34 W m-1 K-1，并具有206 MPa的超高强度。此外，纳米复合材料纸具有优异的电绝缘性能，可达350℃以上，并具有优良的阻燃性能。纳米复合材料纸在5G基站和变压器中表现出了较强的散热能力，在高功率密度电气设备和电子器件中具有广泛的应用潜力。相关工作以“Thermally Conductive but Electrically Insulating Polybenzazole Nanofiber/Boron Nitride Nanosheets Nanocomposite Paper for Heat Dissipation of 5G Base Stations and Transformers”为题发表在《ACS Nano》上。

【制备和结构】

首先，将商用PBOMF溶解在甲烷磺酸和三氟乙酸的混合酸中，剥离成PBONF。在强混合酸作用下，PBOMF主链上的氮原子或氧原子逐渐质子化，导致静电斥力的增加。因此，PBOMF内的原纤维不仅带正电荷，而且解离良好，形成黄色稳定的粘性分散液。PBONF的平均直径为13 nm。其次，对BNNS进行了两步改进，使其带负电荷（BNNS-M）。与BNNS相比，BNNS-M的形态未发生变化。与BNNS相比，BNNS-M的重量损失约为1 wt%，这归因于草酸基团的降解。BNNS-M/PBO绝缘纸呈珍珠母状多层内部微观结构。BNNS-Ms被缠绕的PBONF包裹。BNNS-M/PBO纳米复合薄膜可以轻松折叠成超过20厘米长的纸飞机，这表明其具有良好的柔韧性和大规模生产的潜力。

图1 BNNS-M/PBO纸的制备过程示意图

图2 BNNS-M/PBO纸的形貌结构

【力学性能】

在相同填料含量下，改性的BNNS-M/PBO纸的极限强度始终高于BNNS/PBO纸，这是由于改性的BNNS与PBONF之间的相互作用增强所致。10-BNNS-M/PBO的极限强度可达到206±22.36 MPa，远高于纯PBO纸的极限强度（176±13.40 MPa）。从BNNS-M/PBO纸断裂截面的微观结构中可以看出，10BNNS-M/PBO几乎看不到裸露的BNNS，BNNS-M被PBONF网络封装得很好。同时，10-BNNSM/PBO的裂缝边缘呈卷曲状，而50-BNNS-M/PBO的裂缝边缘呈扁平状，验证了10-BNNS-M/PBO的层间相互作用较强。此外，小尺寸的10BNNS-M/PBO纸可以提起4.15 kg的重物（超过自身重量的18万倍），表现出强大的力学性能。

图3 BNNS-M/PBO纸的力学性能

【热性能】

10-BNNSM/PBO纸的初始热分解温度为582℃，比纯PBO纸高35℃。热稳定性的提高主要归功于BNNSs的引入，BNNSs具有800°C以上的耐温性能。随着BNNS-M含量的增加，BNNS-M/PBO纸的面内导热系数先增大后减小。临界点在40 wt%，面内热导率最大值达到27.87±0.92 W m -1 K -1。与BNNS/PBO纸相比，在填料含量相同的情况下，BNNS-M/PBO纸总是表现出更高的面内导热系数。这是由于BNNS-M与PBO之间的相互作用增强，从而抑制了界面热阻，减少了低密度缺陷（如空隙和孔洞）。在350℃时，10-BNNS-M/PBO的面内导热系数可达到33.17±0.45 W m -1 K -1。这意味着10-BNNS-M/PBO纸在350°C的高温下仍然可以正常使用，表现出优异的热稳定性。此外，通过燃烧试验验证了10-BNNS-M/PBO纸的阻燃性能。

图4 BNNS-M/PBO纸的热性能

【介电和电绝缘性能】

与纯PBO纸相比，10-BNNS-M/PBO纸在整个频率范围内的介电常数都较低，这应该是由于BNNS的介电常数较低所致。介电常数在较宽的温度范围内几乎是一个常数，而介电损耗正切在温度增加到360°C时仅略有增加。即使在360°C的高温下，介质损耗也低于0.05。更重要的是，10-BNNS-M/PBO纸在较宽的温度范围内表现出较低的介电常数和较低的介电损耗正切。BNNS-M/PBO纸具有优异的介电性能。此外，该纳米复合材料具有良好的电绝缘性能。高温（高达200°C）并没有显著降低击穿强度，进一步证明了纳米复合材料的温度稳定性和可靠性。总之，BNNS-M/PBO纳米复合纸具有良好的介电性能和电绝缘性能，完全符合电气和电子领域的高温应用要求。

图5 BNNS-M/PBO纸的介电和电绝缘性能

【实际应用】

在5G基站的实际运行过程中，可以观察到印刷电路板上的通信磁元件产生了大量的热量，呈现出最高的温度。在典型情况下，使用BNNS-M/PBO纳米复合纸作为通信元件与5G基站散热器之间的热界面材料（TIMs）。5G基站在室温下运行120 min过程中，使用BNNS-M/PBO的情况下，温度上升较慢，平衡温度要低得多。最后，平衡温度比原始情况和纯PBO纸降低了约9和10°C。BNNS-M/PBO纸除了作为5G基站集成的TIMs外，还被评估为变压器的导热绝缘纸。在整个运行过程中，与原始绝缘纸相比，BNNS-M/PBO纸产生的热量分布更均匀，变压器表面温度更低。这是由于BNNS-M/PBO纸具有较高的导热系数，作为一种不可燃的热扩散膜，降低了热聚集，增强了散热。BNNS-M/PBO纸的综合性能在极限强度、应变失效、击穿强度、导热系数和耐热性方面均优于其他绝缘纸。

图6 BNNS-M/PBO纸在5G基站中的应用

图7 BNNS-M/PBO纸在变压器中的应用

【小结】

该研究通过溶胶-凝胶-薄膜转换方法成功制备了具有高导热性和电绝缘性的PBONF/BNNS纳米复合纸。PBONF与功能化的BNNS之间存在强相互作用，形成一个坚固的互联网络，使纳米复合纸的面内热导率达到21.34 W m-1K-1，其极限强度达到206 MPa。此外，纳米复合纸具有优异的电绝缘性能、耐热性以及高达350°C的超高温稳定性。PBONF/BNNS纳米复合材料作为一种热界面材料和电气绝缘纸，在5G基站和变压器中表现出较强的散热能力，在高功率密度电子器件和电气设备中具有广阔的应用前景。

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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c04534

来源：高分子科学前沿

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