高導熱聚酰亞胺電介質薄膜研究進展*

查俊偉 王帆

1) (北京科技大學化學與生物工程學院,北京 100083)

2) (北京科技大學,北京材料基因工程高精尖創新中心,北京 100083)

電子器件高度薄型化、多功能化和集成化的時代,不可避免地會導致復合材料內部的熱量積累,嚴重影響設備的穩定運行和使用壽命,如何實現電介質材料快速且高效的導熱散熱已成為影響電子設備發展的關鍵問題.傳統聚酰亞胺本征導熱系數較低,限制了在電氣設備與智能電網等領域中的應用,發展新型高導熱聚酰亞胺電介質薄膜材料成為國內外研究重點.本文介紹了復合材料的熱傳導機制,概述了近年來導熱聚酰亞胺薄膜的研究進展與發展現狀,重點討論了導熱填料、界面相容、成型工藝對材料導熱系數的影響,最后結合導熱聚酰亞胺復合電介質材料未來發展的需要,對研究中存在的一些關鍵科學技術問題進行了總結與展望.

1 引言

高分子材料以其優異的電絕緣性、耐化學腐蝕性、質輕以及密度小等特性被廣泛用于電子電氣、通信、軍事裝備制造和航空航天等領域[1,2].聚酰亞胺(PI)是由含酰亞胺基鏈節[—C(O)—N(R)—C(O)—]構建的芳雜環高分子化合物,具有優異的電絕緣性、耐輻照性能和機械性能等特性,被譽為“解決問題的能手”.PI 作為結構或功能材料具有巨大的發展前景,特別是PI 薄膜材料,具有“黃金薄膜”的美稱,最早被開發和應用的一種PI 產品,在印制電路板、電子封裝、層間介質和顯示面板等領域中被廣泛應用[3?7](見圖1).

圖1 PI 薄膜材料的應用[3?7]Fig.1.Application of PI film materials[3?7].

現代電子設備、以芯片為代表的工業器件、混合動力電動汽車以及發光二極管的高度集成和高功率導致產品的尺寸逐漸減小,由此產生的熱量成倍增加的問題越來越突出,嚴重影響產品的操作性能及使用壽命,熱管理系統的高效導熱散熱越來越受到人們的廣泛關注[8].相關研究表明: 電子設備的溫度每升高2 ℃,可靠性就降低10 %;溫度升高8—12 ℃,使用壽命減半,材料的導熱性能已成為影響設備正常工作的一個重要參數[9?11].聚合物材料在解決導熱散熱問題方面顯示出了良好的潛力,但PI 材料的本征導熱系數較低,通常在0.2 W/(m·K)以下,遠低于金屬、碳和陶瓷等材料,極大限制了PI 薄膜在高新技術領域的應用.為了保證設備的正常運行和使用安全性,尋求適當方法來提高PI 材料的熱導率具有重要意義.

為了解決PI 材料的導熱散熱問題,研究人員主要從兩個方面開展工作.一是對PI 基體本體改性,從分子結構設計角度出發,基于PI 的1—3 級結構設計及構筑有序結構;通過力學拉伸、剪切、離心、紡絲等方式誘導有序結構的形成;基于分子間相互作用力,特別是發揮氫鍵的優勢,在分子鏈間形成穿插和纏結的結構以及構建側基之間的氫鍵作用.提高PI 本征熱導率的策略即改變基體鏈結構的形態,使蜷曲的分子鏈呈現舒展的狀態,提高鏈段聚集的有序性,來創造聲子傳遞的途徑,以此提高基體的本征導熱系數.二是以PI 為基體,在基體中添加高導熱填料也是改善熱導率的有效策略,目前國內外高導熱PI 復合材料的理論研究和工業化生產主要集中在填充型PI 復合材料.導熱填料在PI 基體中相互連接,形成有序的導熱路徑,減少聲子傳遞過程中產生的散射,實現熱量的快速傳輸.復合材料的熱導率由PI 基體的結構和填料的性能、填料在基體中的排列以及基體與填料的相互作用等因素共同決定,同時還要考慮導熱通路的構筑以及制備工藝對材料導熱性能的影響.

2 熱傳導機制

熱是材料內部的分子、原子和電子等微觀粒子移動、轉動和振動的能量,材料的導熱機理與其內部的微觀粒子的相互碰撞和傳遞有著密切聯系.熱傳導的載體有分子、電子、聲子(晶格振動的能量量子)以及光子.熱量由材料的高溫部分向低溫部分傳遞,而在本質上可認為是振幅較大的分子和原子帶動振幅較小的分子和原子振動,傳導過程如圖2 所示[12].

圖2 粒子碰撞在材料中的熱傳導[12]Fig.2.Thermal conduction in material by collision of particles[12].

不同材料的熱傳導機制不同,主要取決于導熱載體在材料中所起的作用.在金屬內部存在大量自由移動的電子,這些電子通過相互作用或碰撞進行熱量的傳遞.金屬也是晶體,熱傳導過程還通過晶格的振動來完成,即還存在聲子傳導,但自由電子的傳熱效率遠高于聲子,因此,金屬的熱傳導載體以電子為主.在非導體晶體中,分子或原子有序分布在晶格上,熱傳導方式以聲子導熱為主,其熱導率主要取決于材料的結晶程度和取向度,從機理上認為取決于聲子的散射程度.造成聲子散射的主要原因有: 分子鏈的高度纏結、分子結構中的空隙、界面和結構缺陷以及分子鏈間弱的相互作用.聲子的靜態散射是由各種缺陷引起的,動態散射由分子鏈的非簡諧振動造成,分子鏈的旋轉與鏈間相互纏結會加劇非簡諧振動,同時鏈段內旋轉產生的多種形態的構象也會引起聲子散射[13].

大多數聚合物為飽和體系,在其內部不存在自由運動的電子以及電子之間激烈的相互碰撞,熱量主要通過聲子進行傳遞.分子鏈在受熱時產生振動,熱傳導主要依賴分子或原子在固定位置上周圍的熱振動,將熱量依次傳遞到相鄰的分子或原子,聚合物的熱傳導如圖3 所示[14].聚合物具有分子鏈復雜且極易纏結、分子量多分散性以及分子量大等特點,結晶度不是很高,聲子在內部傳遞運動十分困難.此外,晶體結構中的缺陷、界面、空隙以及非晶中的無序部分都將引起聲子散射,這些因素對復合材料的熱導率產生很大的影響.因此,聚合物的熱導率普遍較低,常見聚合物的熱導率見表1.

表1 常見聚合物的熱導率Table 1.Thermal conductivity of the common polymers.

圖3 聚合物的導熱機理[14]Fig.3.Thermal conductivity mechanism of polymers[14].

PI 主要通過二酐和二胺的反應來制備,常見的合成方法有一步法、二步法、三步法和氣相沉積法等[15],實驗室和工業生產中廣泛使用二步法,最常用的二酐和二胺分別是均苯四甲酸酐(PMDA)和4,4' -二氨基二苯醚(ODA).以此為例,合成均苯型PI的路線如圖4 所示,其中DMAC 是N,N-二甲基乙酰胺,作為溶劑使用;thermal imidization 表示熱亞胺化.

圖4 兩步法合成PI 的路線Fig.4.PI two-step synthesis route.

與環氧樹脂、聚偏氯乙烯、聚二甲基硅氧烷等聚合物一樣,PI 具有長鏈的分子組成和隨機排列的分子結構,分子主鏈中含有大量芳環和含氮五元環,同時還含有一定數量的醚鍵.從剛柔性角度來看,PI 分子呈現較大的剛性,剛性結構和芳雜環的共軛效應賦予PI 優異的耐熱性和穩定性,同時可抑制鏈節的內旋轉,在一定程度上減少聲子散射.還有研究指出,聚合物鏈的熱導率與單體的類型密切相關,具有芳香環的聚合物的熱導率甚至是聚乙烯的5 倍,但由于聚合物鏈的結合強度低和質量分布不均而大大降低了材料的熱導率[16].另外,由于聚合反應很難有效控制反應的進行、調控晶區與非晶區的組成以及阻止副產物的產生,PI 分子鏈的纏結、分子量分布不均、非晶結構中的缺陷、空隙、雜質等都使得聲子在傳導過程中能量、動量及運動方向發生變化,進而降低聲子的平均自由程.此外,選用不同二酐和二胺制備的PI 分子的對稱性不同,側基基團的結構和排布方式以及引入的不對稱鏈節等因素均會減弱分子結構的定向排列,降低空間的有序堆積程度,對PI 導熱性能的提升產生嚴重影響[17].

目前解釋聚合物復合材料熱傳導機制的理論主要有導熱通路理論、導熱逾滲理論和熱彈性系數理論[18].其中導熱通路理論最常用于解釋填充型聚合物的導熱機制,此理論認為導熱路徑的形成是由于導熱填料與聚合物基體內部的接觸,熱流通過聲子沿著熱阻較低的路徑或網絡傳遞.當體系的填料含量較低時,填料之間彼此分離,粒子之間的間距較大,相互作用較弱,無法形成相互接觸的連續的導熱通路,填料被基體包覆,形成類似“海-島”的結構,熱量在聚合物基體中沿著基體-填料-基體的路徑傳輸,聲子在填料未連接處發生散射,不利于提高材料的熱導率.隨著填料含量的增加,填料間相互接觸,在局部形成導熱鏈,熱量沿著導熱粒子組成的導熱通路傳播.隨著填料的進一步增加,局部的導熱鏈相互搭接形成完整的導熱網絡,熱量通過聲子沿著該網絡傳遞[19],如圖5 所示.

圖5 導熱網絡形成示意圖[19]Fig.5.Schematic diagram of the formation of thermal conduction network[19].

3 復合材料導熱系數模擬

聚合物基體和導熱填料的選擇具有多樣性,合適的模型或方法能夠限制實驗數量,并且可以預估候選材料的性能.因此,一套成熟的復合材料導熱理論對于科學實驗的開展具有指導性意義,有助于指導我們深層次研究導熱的內在機理、影響復合材料導熱性能的因素、結構設計與性能平衡的關系以及篩選潛在的更有發展前景的材料[20],為開發新型高導熱電介質復合材料提供強有力的理論支撐.

導熱模型對深入理解影響材料導熱性能的因素和設計特定導熱材料具有一定的參考價值,導熱模型的構建與基體本身和導熱填料的組分、結構及性質等因素密切相關.因此,理論研究和模型建立在分析和篩選材料中發揮著重要作用.導熱模型通常可以預測許多簡單體系的“理想”熱導率,但這些模型大多基于聲子通過界面沒有熱阻和理想的填料形態等假設,模型的計算往往是定性的.很多學者依據不同的假設構建了添加填料粒子的復合材料導熱模型,許星星[21]和蔣濤等[22]詳細總結了目前應用較為廣泛的粒子填料導熱模型,在此不進行過多描述.除對粒子填料模型的研究外,還有關于纖維填料模型和多形狀填料模型的研究.這些模型可以確定熱導率對填料的負載量以及填料和基體熱導率的依賴性.但大多數模型僅適用于特定的體系,模型擬合結果與實驗數據并不完全一致,且聚合物基導熱復合材料正朝著填料填充復雜性和基體多樣性的方向發展,單純進行理論模型的研究對于預測真實材料的熱導率有一定的局限性.對于更復雜的復合材料體系,分子動力學模型、有限元積分模擬和機器學習等模擬方法更能表述實際材料的熱管理情況.

分子動力學模擬主要是從原子分子的層面來評價和預測材料的導熱性能,被廣泛應用于探索物質的熱輸運性質.該方法可以很好地研究石墨烯復合材料的導熱行為與微觀結構的關系,更好地處理有缺陷的研究體系[23].2018 年,徐京城等[24]采用opt-Tersoff分子力場和非平衡分子動力學方法研究了石墨烯/PI 復合膜的尺寸效應,將微觀尺度的石墨烯擴展到宏觀尺度的熱傳遞系統,并用聲子態密度解釋了復合膜結構引起的熱導率差異,導熱計算模型如圖6 所示,其結果有助于設計和大規模制備高導熱PI 薄膜.分子動力學除了研究材料的熱導率與微觀性能的關系,還能夠計算材料的宏觀性能參數.Wang 等[25]以PI/氮化硼納米片(BNNS)為研究對象,計算了不同BNNS 含量的PI 復合材料在不同溫度下的熱導率、體積模量、介電常數和擊穿強度.此外,通過計算PI/BNNS 復合材料的表面結合能分析了界面相互作用強度,從能量角度揭示了填料摻雜對材料性能影響的微觀機理.

圖6 導熱系數的計算模型[24]Fig.6.Calculation model of thermal conductivity[24].

導熱模型分析了各種理想條件下復合材料的熱導率,僅限于一些特殊的條件下,但實際材料的形態更復雜,有限元模擬和機器學習則能夠提供更精準的分析和預測.有限元模擬在導熱模型的基礎上,考慮實際材料的界面、填料分散狀態以及導熱網絡的搭建等情況準確計算復合材料的界面熱阻或熱導率.機器學習是在大量數據的基礎上進行訓練,篩選和系統識別具有高導熱系數的材料[26].Guo等[27]以在剝離石墨上生長的柱撐碳納米管(CPEG)/PI 復合材料為研究對象,采用有限元方法模擬了CPEG/PI 材料的納米/微尺度傳熱過程,模擬結果如圖7 所示,從微觀角度揭示了熱導率增強的內在原因.基于有效介質理論和能量守恒定律,建立了更廣泛適用的聚合物基復合材料的有效導熱系數計算模型和經驗公式,更好地反映了CPEG/PI復合材料的實際熱導率的變化趨勢.

圖7 PI 基復合材料內部的傳熱模擬[27]Fig.7.Heat transfer simulation inside the PI-based composites[27].

Ding 等[28]以多分散六方氮化硼(ae-BN)/PI 為研究體系,利用機器學習技術預測了不同含量的ae-BN/PI 復合材料在不同溫度下的平面內熱導率.通過第一性原理,推導了ae-BN 的固有導熱系數與溫度和厚度的關系,又在此基礎上,考慮工作溫度和填料含量的影響,建立了修正后的迭代有效介質模型(effective medium theory,EMT),證明了復合材料邊界熱阻的降低.在分子設計和篩選材料中,利用機器學習技術可以預測新結構的有效特性,加速發現新型聚合物功能材料.Wu 等[29]受機器學習輔助開發聚合物的啟發,使用經過訓練的分子設計算法,從分子的化學基團和空間構象影響聲子散射過程的角度出發,識別了與導熱性和其他目標聚合物性質相關的結構-性質關系,確定了數千種有前景的聚合物,成功發現了具有高熱導率的材料.

關于復合材料導熱系數的模擬,很多學者基于理論預測、模型建立和器件驗證等對其進行了深入研究.導熱模型研究的理論起源于傅里葉定律,主要研究填充型導熱聚合物中填料的種類、含量、幾何形狀、取向方式以及聚集狀態等對材料熱導率的影響,其中又衍生出了碳納米管/聚合物體系的導熱模型,主要包括混合規則導熱模型、均質模型和有效介質模型等[30].這些導熱模型可以初步預測材料的熱導率值,但不同的模型都基于一定的理論設想,又對數據進行近似或忽略處理.另外,材料的熱導率高度依賴其微觀結構和體積分數,導致實驗值和預測值有一定差距.但這些簡化的模型并非沒有研究的意義,有限元分析則是在理論模型的基礎之上,考慮材料的某些固有特性對導熱性能的影響.目前,關于導熱模型的研究主要集中于在前人提出的模型基礎上進一步考慮其他因素對熱導率的影響,不斷對導熱模型進行升級和完善,豐富填充型聚合物復合材料的導熱理論.Zhu 等[31]通過擴展Meredith 和Tobias 的模型,提出了一個通用且易使用的有效熱導率模型,該模型能夠預測非接觸球形填料聚合物材料的熱導率,但還需考慮形狀因子和接觸熱阻的影響.Dong 等[32]在經典串聯、并聯模型(Agari 模型)的基礎上,提出了一種新的導熱模型: 串-并聯模型,通過引入新參數對模型進行修改,使其與特性系統中的實驗數據有更高的擬合度.新參數的引入提高了預測的精確度,但也降低了模型的通用性.未來導熱模型的開發應兼顧預測的準確度和模型的普適性,對數據計算進行更深入的修正,以便為制備高導熱復合材料提供更直接的參考.

平衡分子動力學(EMD)和非平衡分子動力學(NEMD)是分子動力學中研究熱導率的兩種方法.EMD 方法基于Green-Kubo 公式,對于外部參數的計算細節具有很強的魯棒性,使得這種方法易于使用,但通常會導致熱導率和模擬單元尺寸之間的獨立關系.此外,EMD 法很難獲得具有不用形狀和尺寸材料的熱導率.NEMD 方法基于傅里葉定律,該方法可以探索具有不同形狀的材料的導熱系數,但其計算過程更復雜,難以確定散裝材料的熱導率[33].在實際應用中,有利用分子動力學模擬的方法定量分析具有結構損傷和空位缺陷的復合材料的熱導率[34]、評估不同參數對導熱行為的影響[35]、探究溫度梯度對導熱系數的影響[36]等.分子動力學模型將朝著更高的運算效率、更大的模擬體系、更精確的模擬結果的方向發展.在未來研究中,應趨向于多種模擬方法并用,以提高數據的可信度和預測的準確性為主.Ahmadi 等[37]利用分子動力學模擬評估了石墨烯片的導熱系數,然后又通過有限元分析評估了石墨烯增強聚丙烯在不同溫度下的導熱系數.

利用有限元分析來模擬傳熱過程在導熱領域應用較為廣泛,用來驗證材料的實際導熱能力.一般是將制備的PI 或其他聚合物薄膜用作發光二極管(LED)芯片和散熱器之間的熱界面材料,通過紅外熱像記錄LED 的溫度隨時間的變化,通過有限元積分模擬分析材料的散熱和熱管理能力,闡明所制備材料的結構對于熱導率的影響以及導熱增強機理.對于填充型聚合物復合材料來說,填料粒子的加入會不可避免地對材料的機械性能產生一定的影響,有限元分析能夠模擬復合材料結構模型中的應力分布,從而更深刻地解釋材料機械性能的改善以及闡述力學性能和導熱性能之間的關系[10].有限元模擬在導熱領域的其他應用還包括模擬復合材料的熱傳輸[38]、表征和分析3D 編織復合材料面內和面外導熱行為[39]、建立孔隙和顆粒形狀的新理論模型[40]等.相比于導熱理論模型,有限元分析可以模擬各種幾何形狀復雜的結構,考慮界面熱阻和導熱通路的構筑對于熱導率的影響,還可以用來證明所提出的理論模型.通常將有限元分析和優化設計相結合,以減少模擬計算的時間、提高預測的準確性.但對于涉及更繁瑣的體系和更復雜問題分析的計算,比如體系中含有多種導熱填料粒子和多重類型的界面以及全有機導熱材料,利用有限元分析的方法進行預測會耗費大量的時間.此外,在具體的應用中,采用什么類型的單元,多大的網絡密度等需要進行嘗試和篩選,其計算量是驚人的,模擬結果的準確度也會降低.

與有限元模擬分析不同,機器學習技術在導熱聚合物領域的應用主要是將材料科學與大數據結合開發具有功能性的新型先進熱管理材料,可以進一步分析聚合物的分子結構與導熱性能之間潛在的定量關系,建立結構-性能關系模型,揭示材料的熱導率和結構之間的相關性.機器學習技術能夠快速高效地預測材料的熱導率和界面熱阻[41,42],用來預測各種單鏈聚合物的熱導率[26],預測就地取材的物質的熱導率,比如估計巖石、混凝土、土壤的導熱性能[43?45].機器學習技術需要通過大量的數據點建立導熱系數數據庫,這些數據庫對于同一類材料的導熱模擬是通用的,因此每一個數據庫的建立和完善都對以后的相關研究提供了指導和參考.此項模擬技術可以進行可視化分析,容易獲得需要的數據和結果,測試數據集時,其運行速度很快,但部分數據缺失會使處理過程變得困難.目前機器學習的使用和發展更強調實際的應用和算法,在理論研究方面相對滯后.可以預見,在未來的研究中,利用分子動力學模擬、有限元模擬和機器學習技術研究復合材料導熱性能與結構的關系將大幅擴展,并且將會朝著填料多樣化、配方復雜化的方向發展,隨著方法的不斷升級和計算機模擬速度的提高,評估導熱性能的準確度和篩選材料的能力也將大幅度提高.

4 復合材料的導熱性

高導熱聚合物按照制備工藝可以分為本征型和填充型兩類.本征導熱聚合物是指在分子設計、合成及成型加工過程中通過調控分子鏈的形態和結構、鏈間相互作用、促進有序取向等來獲得某些特殊的結構,促進熱傳導的路徑,減少聲子散射,從而提高材料的導熱性.本征導熱聚合物因制備工藝復雜、原料選擇有限、反應條件不可控、副產物較多和成本較高等缺陷,限制了在導熱領域的廣泛應用.但有學者致力于開發本征導熱聚合物,考慮分子鏈結構、取向與結晶度、分子間相互作用力、液晶基元及溫度壓力等對導熱性能的影響,從而開發新型導熱材料[17].填充型導熱復合材料制備方法相對簡單、填料選擇廣泛且熱導率提升較為有效,已成為目前國內外研究的重點.目前,在填充型導熱復合材料領域面臨的主要技術問題包括:1) 無機導熱填料在聚合物基體中的相容和有效分散;2) 填料/基體、填料/填料之間的界面熱阻;3) 導熱通路的設計及有效構筑.針對以上挑戰,研究者們提出了許多解決方案,通過對填料和基體的表面改性以及利用尺寸效應改善填料在基體中的分散問題[46?49];通過填料、基體界面行為及界面調控,組分相互作用的調控與設計來降低界面熱阻[50,51];定向構筑三維導熱網絡[52]、構建互穿或兩相/多連續相導熱通路[53,54]、向自然學習[55]、基于仿生的結構[56]等來構筑導熱通路.接下來,分別介紹本征型和填充型導熱PI 的最新研究進展,總結正在遇到的科學技術問題并展望未來發展面臨的機遇和挑戰.

4.1 本征導熱PI

PI 材料因其具有優異的力學性能、耐溫性、耐溶劑性以及耐輻照性能等而被廣泛研究.但關于對本征PI 鏈結構、分子鏈取向和分子間作用力的基礎研究還比較薄弱.PI 還具有不溶、不熔、不利于加工的特點,合理設計PI 的分子結構來調控材料的化學特性是本征導熱PI 研究的技術難點之一.有學者對PI 分子鏈、結構組成與分子間作用力等進行了研究,Dong 等[57]提出了一個定量描述鏈間跳躍和鏈內跳躍相互作用的理論模型,解釋了PI熱導率的直徑依賴性,又推測了準一維極限下非晶態聚合物的熱導率上限.Morikawa 等[58]研究了芳香族PI 的化學結構、厚度、黏度、測量方法、主鏈取向、溫度對熱擴散系數及熱擴散機理的影響.接下來主要從鏈結構、分子鏈取向以及分子間相互作用三個方面概述近年來本征導熱PI 的研究現狀.

4.1.1 鏈結構

通過調控基體結構可以有效改善高分子材料的導熱性能,鏈結構主要包括一級進程結構和二級遠程結構.一級結構的調控方法主要有: 在分子主鏈引入醚鍵、酯基、酰胺基等柔性基團或鄰苯二甲酰亞胺剛性單元調控PI 分子鏈中結構單元的化學組成、在末端引入苯基炔基并通過化學交聯以保持PI 鏈的連接順序、改變PI 分子鏈的立體構型來提高分子鏈段聚集體結構的有序性.調控二級結構的主要手段是: 通過PI 分子鏈構象的模擬研究何種狀態下PI 分子鏈呈現規整有序排列并保持能量最低狀態;通過加入終止劑、選用不同的制備工藝來調控分子量的大小,使卷曲的分子鏈呈現舒展的狀態,從而提高材料的熱導率.

從單體分子結構的角度出發,單體極性基團的數目和極化程度、分子的規整度、內部的緊密程度以及鏈的排列方式等均會影響其熱導率.Xiao 等[59]制備了3 種含有不同極性基團的PI 來研究極性基團對于材料熱導率、透明性、太陽吸收率、抗紫外輻射等性能的影響,4 種結構式如圖8 所示,結果表明,含有—CF3基團的PI-4,PI-3,PI-2 的熱導率分別為0.40,0.28,0.31 W/(m·K),明顯高于未含有極性基團PI-1(0.19 W/(m·K))的熱導率.

圖8 PI-1,PI-2,PI-3,PI-4 的化學結構[59]Fig.8.Chemical structures of PI-1,PI-2,PI-3 and PI-4[59].

所謂“結構決定性質”,PI 分子鏈結構對于導熱性能起著決定性的影響.Lei 等[60]選擇三種典型的PI 材料,分別為PMDA/ODA,PMDA/(對苯二胺)PDA以及3,3',4,4'-聯苯四甲酸二酐(BPDA)/PDA,研究了不同聚酰胺酸(PAA)鏈的化學結構、鏈剛性以及聚集結構,分析了PI 鏈結構和力學性能之間的矛盾,從鏈構象的角度分析了構效關系.從給出的分子堆積模型來看(圖9),有序的取向和堆疊結構有助于聲子的快速傳輸[60].

圖9 PI 纖維的分子堆積模型[60]Fig.9.The molecular packing model of the PI fibers[60].

分子內部結構不同對應不同的聚集模式,因而也會產生不同的熱導率值.此外,有研究發現在分子主鏈中引入剛性骨架和π—π 共軛結構,減少單鏈的旋轉會提高材料的導熱系數[61,62].因此,PI 的晶態、非晶態、液晶態等聚集態結構以及分子鏈中的剛性結構和π—π 共軛將會對其熱導率產生很大的影響.

4.1.2 分子鏈取向

在聚合物鏈優先取向的方向上,可以顯著提高材料的熱導率.分子鏈沿著取向的方向定向排列,分子結構中的非晶部分被有序化,結晶度因此而提高,晶體結構可為聲子的傳遞提供高速通道,鏈取向可認為是提高聚合物本征熱導率最有效的因素.目前關于分子鏈取向對結晶/半結晶聚合物導熱性能影響的研究工作主要集中于結構較為簡單的聚乙烯[20].在這里要提到一種具有超高熱導率的聚乙烯材料,Shen 等[63]通過兩級加熱法制備了熱導率為104 W/(m·K)的超拉伸聚乙烯納米纖維.高導熱性是由于納米纖維中的拉伸效應有助于聚乙烯分子鏈的重組,成為“理想”的單晶纖維.對于本身結晶的聚乙烯來說,在拉伸取向過程中可能形成了由大量取向分子鏈組成的針狀晶體,從而大大提高其熱導率值.PI 的分子結構遠比聚乙烯的分子結構復雜,目前還沒有研究指出通過超拉伸的方式達到像聚乙烯這樣的超高導熱PI.

除了拉伸可以實現分子鏈的定向排列外,靜電紡絲是一項成熟的被廣泛用于定向聚合物分子鏈的技術.在靜電紡絲過程中分子鏈被高度拉伸,結晶度因此而提高.在4.2 節填充型PI 部分,有研究采用靜電紡絲技術添加導熱填料制備了一系列高導熱PI 薄膜,其選擇靜電紡絲的原因是基于此技術可以控制填料在基體中分散的同時,還可以改善分子鏈本身的取向,從而提高固有熱導率.

在聚合過程中設計特定的單體是增強分子鏈取向的另一種方法.通常來說,液晶聚合物中的剛性或半剛性鏈段使分子鏈具有有序的結構,分子鏈在其中呈現微周期性的取向,一般表現出微觀各向異性和宏觀各向同性的特征[20].通過在聚合物分子鏈中引入液晶基元可以實現分子鏈的取向,從而抑制界面聲子散射,提高聲子傳熱的自由程度.另外,在基體上引入特定的液晶小分子可以有效改善基體與填料之間的界面相容性和相互作用力,有望制備新型高導熱聚合物材料.Ruan 等[64]制備了一種以鄰苯二甲酰亞胺基團為剛性介晶單元,以醚鍵為柔性基團的新型本征高導熱液晶PI (LC-PI)薄膜.在液晶溫度范圍內,分子鏈可以保持完美的有序結構.室溫下薄膜的面內和面外熱導率分別為2.11,0.30 W/(m·K),顯著高于傳統的PI 薄膜,LC-PI 還保留了優異的機械性能和熱性能,在高度集成的電子領域有著潛在的應用.由于PI 的前驅體是PAA 溶液,具有可加工的特點,液晶PI 作為導熱材料具有一定的優勢.已有學者對PI 的液晶行為和性質進行了研究.Shoji 等[65]研究了PI 薄膜的液晶形態與熱擴散率之間的關系,在鏈末端引入乙炔端基制備了含有硅氧烷間隔單元的交聯液晶PI 薄膜.結果表明,薄膜在厚度方向上的熱擴散率隨著交聯程度的增加而增加;聚合物鏈在薄膜的厚度方向上垂直排列,這種排列對聲子傳導起著重要的作用.Yu 等[66]以確定取代基的種類和位置對降低液晶PI 轉變溫度為目的,合成了新型含硅氧烷的半脂肪型液晶PI.結果表明,氯代和氟代取代基對液晶相的形成有促進作用,但使液晶轉變溫度顯著降低,而甲基取代基會嚴重破壞液晶相的穩定性.此外,Schab-Balcerzak 等[67]合成了一種含萘二酰亞胺(DA)的脂肪族-芳香族二胺和一種含萘和苝二酰亞胺基的液晶PI,并研究了它們的熱致液晶行為.

在液晶導熱PI 領域,如何制備本征液晶導熱PI 材料,在液晶范圍內實現可控固化及其中所涉及的液晶結構如何影響PI 的導熱性能是目前面臨的又一重要技術挑戰.此外,將液晶基元引入PI分子鏈或通過選擇合適的二酐和二胺直接合成具有液晶結構的PI,其分子鏈一般只是在微觀水平上保持有序的狀態,而在宏觀水平上表現為各向同性的無序狀態,因此對導熱性能的提升也有一定的局限性.在今后的本征導熱PI 的研究中,可以從提高PI 鏈的微觀有序和宏觀有序兩方面入手,通過分子結構設計有目的地調控PI 的鏈結構來制備更具發展潛力的新型高導熱材料.

4.1.3 分子間相互作用

分子間相互作用力主要有靜電作用力、范德瓦耳斯力和氫鍵等,這些非共價相互作用影響分子鏈間的相互作用和空間構型,有助于構建長程有序的結構,促進形成聲子傳遞的通路[14].高分子結構中共價鍵相連的原子可為聲子的傳輸提供通道.氫鍵和范德瓦耳斯力主要通過促進結晶和限制分子鏈的扭曲來提高材料的熱導率[17].PI 中存在酰亞胺基團,很容易在其中引入氫鍵,提高基體與填料相互作用的同時對PI 基復合材料的力學性能也有一定的提升.此外,氫鍵還可以起到軟手柄作用,限制分子鏈的扭曲運動,提高聚合物的剛性[68].Nicholls 等[69]以熱塑性PI-聚脲為研究體系,將尿素鍵結合到PI 中來增強氫鍵相互作用.Kim 等[70]從分子鏈間相互作用的角度,研究了幾種不同的氫鍵對熱導率的影響,實現聚合物高的熱導率需要強的分子間鍵取代弱的相互作用，并且分子間鍵盡可能緊密連接到聚合物主鏈上,某些氫鍵的濃度必須超過逾滲閾值等.總之,基于以上分析,想要建立PI分子鏈間的氫鍵作用,需要考慮初始原料的分子量、主鏈和支鏈的結構、回轉半徑等因素,找到合適的氫鍵供體和受體,并進一步優化材料的合成和加工,以此制備本征導熱PI 薄膜.

目前,通過在PI 中引入氫鍵來提高材料的導熱性能,主要集中在對填充型導熱PI 的研究上,導熱填料表面的活性官能團容易和PI 的羰基形成氫鍵,有助于熱量的傳輸和導熱網絡的構筑,同時還可以增強填料與基體之間的相互作用,在4.2 節中介紹.以上這些開創性的工作表明,PI 的熱導率與其微觀結構高度相關,導熱性的提升受到PI 化學結構、分子鏈取向、結晶程度以及分子間相互作用等多種因素限制.

4.2 填充型導熱PI

填充型復合材料的熱導率是聚合物基體和填料共同作用的結果,導熱填料是影響復合材料熱導率的重要因素之一,但是填料的引入會與聚合物基體形成接觸界面,填料與填料之間的重疊也會形成新的界面,熱量通過界面時產生界面熱阻,這將大大降低熱傳導效率.所以,填料的微觀結構是構建熱傳導路徑、降低聚合物/填料之間的界面熱阻以獲得高熱導率的關鍵.因此,填料的選擇與改性、界面的調控是提高復合材料導熱性能需要考慮的關鍵問題[71].另外,復合材料的制備工藝影響填料在聚合物基體中的分散和分布,導熱填料與聚合物的簡單共混也可能引入缺陷,這對材料的熱導率值產生很大的影響[72].本節主要討論導熱填料、界面相容和成型工藝對PI 薄膜導熱性能的影響,概述并總結近年來填充型導熱PI 的研究進展.

4.2.1 導熱填料

常用的導熱填料可分為金屬、陶瓷和碳系材料.金屬材料主要包括金、銀、銅、鋁及其合金等,它們的導熱系數為幾百甚至上千.金屬的導熱以電子傳導為主,以金屬為填料能夠有效提高材料的導熱性能,但不能滿足絕緣的要求,因此適用于對絕緣性要求不高的導熱場景.碳系材料主要有石墨烯、碳納米管、石墨烯納米片以及碳纖維等,平面熱導率高于5000 W/(m·K)的石墨烯及其衍生物具有非凡的導熱性,被認為是制備聚合物基導熱復合材料并應用于熱管理中的最有前景的填料[73],近年來以碳系材料為基礎填料的導熱PI 已得到廣泛研究[74?76].Wang 等[77]制備了一種新型柔性印刷電路板 (G-FPC),其中包含一層具有三明治結構的(PI/M-GF/PI)石墨烯薄膜,結構如圖10 所示.最高導熱系數可達739.56 W/(m·K),G-FPC還具有良好的散熱能力,可以顯著降低芯片溫度,在未來的柔性和可穿戴電子產品中有潛在的應用.Guo 等[78]采用原位聚合、靜電紡絲結合熱壓的方法,制備了一種以全碳基為導熱填料的PI 復合材料,功能化的多壁碳納米管和氧化石墨烯(f-MWCNT-g-rGO)作為導熱填料,在相對較低的填料負載下實現導熱性和機械性能的共同改善.

圖10 具有三明治結構的G-FPC[77]Fig.10.Schematic of G-FPC with sandwich structure[77].

石墨烯分子間的π-π 相互作用使得石墨烯總是容易聚集,導致在聚合物基體中的分散較差,對于材料導熱性能的增強有一定的限制.研究表明,在石墨烯表面引入金屬納米粒子,可以有效限制石墨烯的聚集[79].Guo 等[80]采用靜電紡絲技術結合原位聚合的方法,制備了高導熱銀/還原氧化石墨烯/PI(Ag/rGO/PI)納米復合材料.其中銀納米顆粒作為“間隔物”,可以保持rGO 高的比表面積,提高復合材料的跨平面熱導率.當填料Ag/rGO 的總質量分數為15%時,復合材料的最大熱導率值達2.12 W/(m·K).

陶瓷填料由于固有的導熱和絕緣性,在導熱和電絕緣復合材料中有較好的應用.主要包括氧化鎂(MgO)、三氧化二鋁(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)等氧化物和氮化硼(BN)、碳化硅(SiC)、氮化碳(CN)、氮化鋁(AlN)等非氧化物.這些填料的內部沒有自由移動的電子,主要以聲子傳導熱量為主.其中BN 因其優異的導熱性、良好的力學性能、穩定的分子結構、低的熱膨脹系數等優點,在導熱領域也有著廣泛的研究和應用[81].

研究人員發現,理論上單一填料的聚合物雖然能形成三維導熱網絡,但很難實現高的熱導率,是因為填料自身的缺陷和界面的存在會引起聲子散射,單一填料的過量添加還會使填料在基體中難以分散,影響材料的加工成型,進而影響復合材料的力學性能[82].通常在聚合物基體中添加兩種甚至多種不同形狀或不同類型的導熱填料,混合填料體系可以使填料之間建立相互搭接的橋梁,達到填料的最大填充密度從而構建有效的導熱網絡.不同形狀或不同尺寸的填料可以填充填料與填料之間或填料與基體之間的空隙,有助于形成更完整的熱傳導路徑[83].混合填料另外的一個優點是有助于降低填料在聚合物基體中的總填充量,降低系統的黏度,從而改善填料在基體中的分散[20].導熱網絡的有效構筑對填充型復合材料的導熱性能產生直接的影響,根據混合填料在體系中構建的網絡結構的不同,可分為以下四種情況: 1) 兩種填料的填充量低,可均勻分散在聚合物基體中,但沒有形成導熱網絡,也不存在協同效應;2) 一種填料形成了導熱網絡,另一種保持均勻分散的狀態,形成了單導熱網絡,但不存在協同效應;3) 一種填料還繼續保持均勻分散,另一種填料將二者搭接在一起形成單導熱網絡,存在協同效應;4) 填料增加到一定程度,兩種填料均形成導熱網絡,且雙網絡相互搭接,具有協同效應[84].后兩種情況形成了單/雙導熱網絡,又具有協同效應,這對研究新的方法實現復合材料導熱性能的提升具有重要的參考意義.

將兩種不同種類的填料混合摻雜可能會高于任何一種填料單獨填充所制備的復合材料的熱導率,有研究將碳系材料和陶瓷材料摻雜制備PI 薄膜,獲得了較高的熱導率.He 等[85]選用氧化石墨烯(GO)納米片和六方氮化硼 (BN)二元填料制備了具有高導熱性和優異熱電絕緣性能的柔性PI 復合薄膜.與單獨填充相比,雙組分填料對PI 復合膜的熱導率有更強的提升,理論模型表明,這可歸因于填料之間的協同效應.在GO 和BN(質量分數分別為1%和20%)單獨填充下,薄膜的熱導率分別為6.118,6.391 W/(m·K),而在GO 和BN(質量分數分別為1%和20%)的兩種填料填充下,最大導熱系數為11.203 W/(m·K),導熱數據見圖11.Wang 等[86]以氮化碳摻雜氧化還原石墨烯(rGO@CN)為導熱填料,當rGO@CN 的質量含量為10%時,熱導率可達6.08 W/(m·K),實現了低填料負載量下的高導熱.引入該填料后,PI 復合膜還保持了優異的機械柔韌性、熱穩定性和低的熱膨脹系數.在實際的生產和應用中,還會在PI 基體中添加一定量的非導熱填料,如玻璃纖維、硼粉等以提高材料的力學性能和穩定性[87],但不同種類的填料也不是隨意添加,需要考慮填料用量、填料形狀和尺寸等幾何性質對導熱網絡構筑的影響.此外,形狀相同但粒徑不同的填料混合,可以優化填料的填充密度,小尺寸的填料填充到大尺寸填料的空隙中,增加形成導熱路徑的可能性.相同類型但形狀和尺寸不同的填料也可發揮填料之間的協同作用[88].

圖11 不同質量含量BN 的PI 復合薄膜的導熱系數(a)和導熱系數的增強(b)[85]Fig.11.Thermal conductivity (a) and thermal conductivity enhancement (b) of PI composite films with different weight contents of BN[85].

將不同維度的填料組合可以實現高效的熱傳導路徑,常用的零維(0D)材料主要有球形Al2O3以及Ag 微球等球形粒子填料;一維(1D)材料主要有碳納米管(CNT)、碳纖維、銀納米線(AgNWs)等管狀、棒狀或線狀材料;二維(2D)材料有氮化硼納米片(BNNS)和石墨烯等片狀平面材料.具有協同效應的單一網絡主要由0D+1D,0D+2D,1D+2D 的混合填料組成,單網絡示意圖如圖12 所示[84].在單導熱網絡中,一種填料均勻分散在聚合物基體中,另一種將它們橋接在一起,形成具有協同效應的單一網絡.Liu 等[89]提出了以Al2O3微球和BN為填料的兩步協同策略,以改善PI 膜中三維導熱網絡的完善性.首先BNNS 包覆Al2O3微球形成Al2O3@BN 球狀填料是第一步協同,然后BN 與Al2O3@BN 摻雜形成第二步協同,其制備工藝如圖13 所示.包覆在Al2O3微球表面的BN 起到橋接導熱網絡、改善Al2O3與PI 界面的作用.Al2O3@BN 進一步與BN 雜化制備Al2O3@BN&BN/PI復合材料,其中Al2O3@BN 幫助BN 在PI 基質中形成具有隔離結構的導熱網絡.在Al2O3@BN 與BN 質量比為2∶1 的條件下,制備出的總填充量為35%(質量分數)的Al2O3@BN&BN/PI 復合膜的導熱系數為3.35 W/(m·K),比純PI 提高了1664%.

圖12 不同混合填料形成的單網絡示意圖[84] (a) 0D+1D填料;(b) 0D+2D 填料;(c) 1D+2D 填料Fig.12.Schematic diagrams of single network formed with different hybrid fillers[84]: (a) 0D+1D fillers; (b) 0D+2D fillers;(c) 1D +2D fillers.

圖13 Al2O3@BN 和Al2O3@BN&BN/PI 復合薄膜的制備工藝示意圖[89]Fig.13.Schematic illustration of Al2O3@BN preparation and fabrication process of the Al2O3@BN&BN/PI composite film[89].

具有協同效應的雙導熱網絡主要由混合的1D+2D 填料構建,同樣2D 片狀填料的重疊互連可以實現極低的界面熱阻,1D 填料起到增加網絡密度和橋接的作用.值得注意的是,雙導熱網絡的形成通常需要更高的填充比,協同效應在高濃度下更顯著,這種雙網絡可以提供更有效的導熱路徑.有的雙重填料體系,雙導熱網絡一旦形成,復合材料的導熱系數會急劇增加,這時可用逾滲理論解釋導熱性能的變化[90,91].Zhang 等[54]構建了PI/BNNS膜CNT@αPVA (碳化聚乙烯醇) 的網絡結構,CNT@αPVA 網絡作為一個連續的導熱網絡可以連接BNNS 之間的空隙并幫助構建導熱網絡,還可以作為PI/BNNS 網絡的互穿導熱網絡.由于雙導熱網絡的形成,當BNNS 的添加量為30% (質量分數),CNT 的加入量為0.3% (質量分數)時,平面熱導率達到8.4 W/(m·K),導熱網絡示意圖見圖14.

圖14 PI 復合膜的導熱網絡示意圖[54] (a) PI/BNNS 單導熱網絡;(b) PI/BNNS/CNT@αPVA 雙導熱網絡Fig.14.Schematic diagram of the thermal conductivity network of PI composite films[54]: (a) PI/BNNS single thermally conductive network;(b) PI/BNNS/CNT@αPVA double thermally conductive networks.

值得注意的是,通過直接共混的方法將兩種或多種填料摻雜在一起,主要利用的是不同尺寸的導熱填料的空間匹配效應,填料雜化的方法還有物理吸附和化學鍵合,物理吸附通常是利用靜電相互作用或π—π 相互作用,在化學反應過程中直接形成具有特定結構的雜化導熱填料[92].化學鍵合法是先通過預處理將反應基團接到不同的導熱填料上,然后填料之間通過化學反應制備雜化填料,這種雜化填料由于化學反應可以牢固粘合,但過度的預處理可能會破壞填料固有的性能,反而達不到預期的結果[93].

4.2.2 界面相容

4.2.1 節提到,導熱填料的引入可以明顯提升聚合物材料的熱導率,但由此也產生了大量的聚合物/填料界面,聚合物與基體之間的界面是限制填充型導熱復合材料熱導率提升的主要原因之一.在熱傳導過程中,界面處化學環境和聲子震動模式不匹配而造成嚴重的聲子散射,從而導致聲子的平均自由程急劇下降[12].當熱流通過界面時,往往會受到一定程度的阻礙,造成嚴重的熱損失,導致復合材料的熱導率遠低于理論值.另外,由于聚合物基體和填料的極性不同,復合過程中,二者的界面相容性也較差.填料的表面改性是降低界面熱阻提高熱導率的有效策略[94,95],常見降低界面熱阻的方法有: 對填料表面進行化學改性、在填料/聚合物或填料/填料之間構建共價鍵、在導熱填料的表面涂覆聚合物層以及使用納米粒子構建填料/聚合物或填料/填料之間的“橋梁”,這些策略的示意圖如圖15 所示[96].

圖15 降低界面熱阻的有效策略[96]Fig.15.Effective strategies for reducing interfacial thermal resistance[96].

許多研究表明,對填料進行化學改性可以活化惰性填料表面,在填料表面引入官能團,能夠改善填料/聚合物的界面相容性,促進填料在基體中的分散.通常使用硅烷偶聯劑或表面活性劑對填料表面活化,有效地將聚合物的聲子振動譜與導熱填料連接起來.Yang 等[97]以3-縮水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷(γ-MPS)改性氮化硼(m-BN),并以此作為導熱填料,制備了PI/m-BN 復合材料.當m-BN 的質量含量為40%時,復合材料的導熱系數為0.748 W/(m·K).楊曦等[98]制備了以鈦酸酯偶聯劑改性的六方氮化硼(h-BN)/PI 復合薄膜,通過h-BN 改性前后接觸角的變化判斷改性效果,改性后填料質量含量為40%的h-BN 復合膜的熱導率為0.7032 W/(m·K),是純PI 膜的3.73 倍.

在聚合物和導熱填料之間形成共價鍵,有利于聲子耦合和熱傳輸,雖然提高了導熱填料在聚合物基體中的分散,但是化學修飾也有可能導致缺陷的形成,破壞填料表面完美的結構,從而降低聲子的平均自由程,所得到的復合材料的熱導率值并沒有預期的高.因此,對填料進行化學改性的關鍵是引入所需官能團的同時保留導熱填料的完整性[99].4.1.3 節提到,靜電結合力、范德瓦耳斯力和氫鍵等這些非共價相互作用可以促進形成聲子傳遞的通路,有效提高復合材料的熱導率值.π—π 堆積屬于一種接近共價鍵強度的非接觸化學力,對于復合材料熱導率的提升起到積極的作用[100].Cao 等[101]以BNNS 為導熱填料,通過PI 基體與填料之間的范德瓦耳斯相互作用,制備了自組裝的高導熱PI/BNNS 復合材料.BNNS 在PI 微球變形過程中實現了定向排列,建立了有效的傳熱途徑,面內導熱系數最高可達4.25 W/(m·K).h-BN 粉末在超聲波輔助液相剝離過程中邊緣羥基化,形成O—H極性基團并附著在BNNS 的表面,酰亞胺環中豐富的羰基與BNNS 中極性的O—H 形成氫鍵,有利于提高填料與PI 鏈之間的相容性.同時,BNNS中的極性B—N 鍵與PI 中的羰基和酰亞胺基的偶極-偶極相互作用可以形成強吸附.制備的納米PI 復合材料還具有優異的電絕緣性能和良好的熱穩定性,可作為導熱材料應用在現代電子設備中.Xu 等[102]等利用氫鍵效應和π—π 堆疊相互作用實現了PI 基體與r-GO 填料的簡易自組裝,制備了核殼結構的PI/r-GO 復合材料,構建了高度有序的三維石墨烯網絡.氧化石墨烯有兩親性,具有羥基、碳基和羧基等親水性官能團,可與PI 的碳基之間形成氫鍵,增強了PI 微球與氧化石墨烯的分子間相互作用.當r-GO 的質量分數為2%時,復合材料的導熱系數為0.26 W/(m·K).

在導熱填料表面改性涂覆聚合物可以有效改善填料的表面性能,這些填料通常具有核-殼結構,表現出增強的物理和化學性能,聚多巴胺(PDA)是應用較為廣泛的一種涂覆聚合物材料.Ding 等[103]以PDA 修飾的六方氮化硼(h-BN@PDA)為導熱填料,研究了h-BN@PDA/PI 復合材料的導熱能力.經PDA 修飾的h-BN 表面有足夠的羥基和氨基與PI 基體形成氫鍵,增強了PI 基體與h-BN 之間的親和力,界面黏附性也有所改善.填料與基體還形成對齊的結構,構建出二維取向的結構.在體積分數為20%的填料含量下(PDA 對h-BN 的改性時間為6 h),PI 復合材料的最高平面導熱系數可達到3.01 W/(m·K),PDA 涂層的存在也提高了復合材料的熱穩定性.除了在無機填料表面涂覆聚合物外,還可以將無機物包覆在無機填料表面,形成核-殼結構的填料.王雨婷等[104]以SiO2表面包覆AgNWs 形成的核殼結構的AgNWs@SiO2為導熱填料,通過靜電紡絲技術制備了導熱且絕緣的PI薄膜.當填料質量分數為25%時,薄膜的熱導率達到了2.80 W/(m·K).

導熱填料在聚合物基體中隨機分散難以形成連續的導熱路徑,還會增加填料與基體之間接觸面積,從而增大界面熱阻.在填料/填料或填料/基體間搭建“導熱橋”是降低界面熱阻增加傳熱面積的又一種有效策略.Duan 等[105]制備了一種新型高導熱PI 介電復合材料,填料顆粒(F-BA)由納米氮化硼(n-BN)和聚多巴胺包覆的球形氧化鋁(PDA@Al2O3)組成,為了改善填料與基體之間的界面相容性,創新性地使用1,6-二異氰酸酯(HDI)作為“橋接劑”,連接n-BN 和PDA@Al2O3,形成了核-雙殼結構的填料粒子.F-BA 填料(質量分數為25%)PI 復合膜平面方向和跨平面方向的熱導率分別為6.41,1.01 W/(m·K),是純PI(0.18 W/(m·K))的36 倍和6 倍,具體導熱數據見圖16.

圖16 PI 復合材料的平面熱導率(a)和跨平面熱導率(b)[105]Fig.16.Thermal conductivity in-plane (a) and through-plane (b) of PI composites[105].

Dong 等[106]在具有垂直排列的各向異性的BNNS/PI 材料中加入AgNWs 作為“導熱橋”,形成相互連通的導熱網絡,當BNNS-AgNWs 的填充量為20% (質量分數)時,復合材料的面內導熱率達到4.75 W/(m·K).與未加入AgNWs 的材料相比,添加AgNWs 的PI 復合膜的熱導率隨填料含量增加而增加的趨勢更突出.

4.2.3 成型工藝

復合材料的制備工藝及成型方法與材料的導熱性能有著密切的關系,成型工藝影響導熱填料在基體中分散,也可能會在系統中引入缺陷,選用合適的成型方法有助于構建導熱網絡,以此制備具有更高導熱系數的材料.復合材料的主要制備方式是共混,但基體與填料簡單的熔融共混、機械共混、溶液共混可能會引起更大的界面,導熱性能的提升達不到理想的效果.因此,復合材料的成型工藝對導熱性能的提升具有十分重要的意義[107].研究人員通過改善導熱填料在基體中的分散程度,構建有效的導熱網絡來提高材料的熱導率值.

靜電紡絲技術在4.1 節和4.2 節中有提到,該工藝可以改善填料在基體中團聚的現象,實現無機填料在聚合物基體中的有效對齊[108].此項技術還可以使納米粒子分散在聚合物基體中制備具有大長徑比、高比表面積和可控取向的纖維材料[109].許多學者利用靜電紡絲技術開展了大量導熱PI 的研究工作[110].在導熱填料部分提到的形成雙網絡結構的PI 膜[54],PAA/BNNS 纖維和PVA/CNT 纖維通過共靜電紡絲的技術制備,這兩種前驅體纖維在膜中均勻交織,前驅體膜經過高溫處理后進行PVA 的炭化和PAA 的熱亞胺化,從而制備PI 復合薄膜.Guo 等[111]制備了具有高導熱性的多層PI 復合膜.其中以氧化石墨烯/膨脹石墨(GO/EG)為頂部導熱和電磁干擾屏蔽層,Fe3O4/PI 為中間屏蔽增強層,靜電紡絲PI 纖維為基底層來提高PI 復合膜的導熱性和力學性能.含質量分數61.0%的GO/EG 和23.8% Fe3O4/PI 的PI 復合材料的面內導熱系數為95.40 W/(m·K),電磁干擾屏蔽系數達34.0 dB,此復合薄膜在光場和小型化電子設備領域具有廣闊的應用前景.

此外,利用冰模板法[106]、冷凍干燥技術[112]與磁場輔助定向技術[113,114]制備導熱PI 薄膜也取得了一定進展.Wei 等[112]通過冷凍干燥技術制備了具有三維 rGO 結構的rGO/PI 復合薄膜.當填料rGO 的添加量為8% (質量分數)時,PI 膜的熱導率可達2.78 W/(m·K),而常規方法制備的同樣質量分數 (8%)的rGO 薄膜的熱導率僅為0.5 W/(m·K)左右.Liu 等[113]以PDA 改性的氧化還原石墨烯和磁性針狀氧化鐵雜化的納米顆粒為填料(GF),制備了GF-BN/PI(MF)復合膜.通過移動磁場感應策略實現了填料粒子在復合膜中的有序取向.復合膜的移動磁場感應和熱傳導機理如圖17 所示,當填料質量分數為30%時,復合膜的面內和面外導熱系數分別為2.532,0.425 W/(m·K).

圖17 復合膜的運動磁場感應和熱傳導機理圖[113]Fig.17.Schematic diagram of the moving magnetic field induction and heat conduction mechanism[113].

經過以上分析和討論,PI 分子鏈結構、填料的選擇與改性、界面相容、成型工藝均會對材料的導熱性能產生一定的影響,每種因素對導熱性能的影響不同,但從導熱機制的角度考慮,又存在一定的相關性.PI 分子結構中的羰基可與被羥基化的填料上的極性羥基形成氫鍵,氫鍵的存在可以改善無機填料與PI 之間的相容性.對填料表面進行改性是降低界面熱阻,提高界面相容性的有效策略之一.分子鏈沿取向的方向有序排列,可為聲子提供高速的傳遞通道,而靜電紡絲、高溫熱壓、冷凍干燥等工藝可使分子鏈定向排列,具有更加有序的分子結構.導熱網絡的構筑需要填料在基體中有序分散和排列,填料的選擇與含量直接影響導熱網絡的形成情況.制備工藝會對導熱填料在基體中的分散產生一定影響,也會強化或削弱導熱網絡的形成.因此,在討論某種因素對復合材料導熱性能影響時,不能僅局限于單一的影響因素,應充分考慮各種因素之間的關聯性,以便獲得更權威的理論分析結果.

5 結論

近年來,隨著導熱介電高分子材料的應用越來越廣,其研究也越來越深入.基于導熱PI 薄膜的研究現狀和發展趨勢,預計將在以下方面開展更多研究工作.1)深入研究PI 結構的有序化、聚集形態、分子鏈取向、分子間作用力對PI 熱導率的影響,找出內在關系并深度闡明導熱機制.還需進一步從鏈結構、二酐和二胺單體的選擇、官能團和封端基團的引入等方面探究液晶導熱PI.2)充分考慮導熱填料的結構、結晶程度、缺陷及雜質等因素,尋找和開發新型高質量導熱填料以改善無機填料粒子在PI 基體中的分散問題,降低填料/填料以及填料/基體間的界面熱阻;進一步研究如何構建導熱網絡充分發揮填料之間的協同作用,使PI 復合材料在低填料含量下具有較高的熱導率.3)將無機填料粒子引入PI 基體會增加界面的數量,嚴重影響PI 的導熱性和力學性能,可重點關注和研究全有機導熱復合材料,以避免填料帶來的界面相容問題.4)充分利用計算機軟件結合數學模型對復合材料的導熱性能或其他性能進行動態模擬,更深入地了解影響復合材料導熱性能的因素,為研究PI的熱傳導機制和開發新型高導熱PI 材料提供理論支持.5)考慮到未來電子產品應用環境的復雜性,無論是在低電壓環境下的電子/微電子領域,還是高壓、特高壓下的電子領域,開發具有高導熱、低介電、低膨脹系數、阻燃性以及電磁屏蔽等性能兼顧的PI 產品成為未來研究的重要方向.