金属纳米线导热复合材料

water2000

微电子技术的发展对系统的散热提出了更高的要求，导热界面材料的应用，则可显著改善系统的散热能力。导热界面材料是通过在聚合物中添加导热填料实现的，最重要的特征之一就是高导热率。而如何在较低的填充分数下获得较高的导热系数成为研究的重点。研究发现，高长径比的填充材料，由于彼此之间更容易形成连通的导热网络，可显著降低复合材料的渗流阈值。金属材料具有较高的导热性能，且金属纳米线的制备工艺也正趋于成熟，这使得金属纳米线成为理想的导热填充材料。而且金属纳米线复合材料在散热领域的应用也具有重要的现实意义。 本论文主要研究金属纳米线导热复合材料的制备。论文的具体内容如下： （1）银纳米线-硅纳米颗粒导热复合材料的研究 本工作以硅纳米颗粒分散银纳米线，制备了硅纳米颗粒-银纳米线-聚丙烯酸酯复合材料，系统地研究了硅纳米颗粒与银纳米线的比例对分散的影响。结果表明，硅纳米颗粒可有效促进银纳米线在聚丙烯酸酯基体中的分散。当银纳米线与硅纳米颗粒的质量比例为4:1时，银纳米线在基体中的分散状态最好；在该比例下，当银纳米线的质量分数为4 wt %时，复合材料的热导率可达到1.49 W/mK，而未添加硅纳米颗粒的银纳米线-聚丙烯酸酯复合材料在质量填充分数为12 wt %时，复合材料的热导率只有1.34 W/mK，表明硅纳米颗粒的加入可显著改善复合体系的导热性能。这一方面是由于硅纳米颗粒促进了银纳米线在基体中的分散，另一方面是由于硅纳米颗粒补充了银纳米线所形成的的不连续的导热网络。而且在引入硅纳米颗粒后，复合材料的玻璃化转变温度由基体材料的56℃提高到64℃，表明复合材料的耐热温度得到提高。复合材料的热膨胀系数由76 μm/(m℃)降低到35 μm/(m℃)，这一方面是由于硅颗粒具有较小的热膨胀系数，另一方面也可能是由于硅颗粒与银纳米线形成了一能有效抵抗热冲击的复合网络。该工作为金属纳米线的分散以及低填充分数、高热导率的金属纳米线复合材料的制备提供了一个有效途径。 （2）铜纳米线/聚丙烯酸酯复合材料的制备及其导热性能的研究 以超长单晶铜纳米线为填充材料，丙烯酸酯为基体材料，制备了一系列不同填充分数的超长铜纳米线-聚丙烯酸酯复合材料，并研究了纳米线的长径比对体系导热导电性能的影响。结果表明，高长径比的铜纳米线在用作填充材料时具有非常大的优势。超长铜纳米线-聚丙烯酸酯复合材料的临界阈值可低至0.9 vol %，此时复合材料的热导率达到2.46 W/mK，与基体材料相比，热导率提高了1350 %，这是首次报道在如此低的填充分数下实现如此高导热性能地强化。在该填充分数下，超长铜纳米线复合材料的电导率达到0.04 S/cm，而短铜纳米线复合材料在1.4 vol %的填充分数下的电导率只有10-4 S/cm，进一步证明了超长铜纳米线用作填充材料的优势。这主要是由于高长径比的填充材料更容易相互接触，形成连通的导热导电网络，而且在体系中引入的接触热阻更小。该工作对铜纳米线的应用及导热界面材料的发展具有重要意义。