垂直取向 BN‑rGO 气凝胶突破：低填充量实现 8 倍以上热界面材料性能跃升

背景介绍

高功率电子设备（如5G、AI）亟需高效热管理，传统热界面材料（随机石墨烯填料）存在面外传热差、机械性能弱的问题。六方氮化硼（h-BN）虽具高面内热导率与电绝缘性，但单一二维材料在聚合物中易导致声子散射严重、粘度失控。三维气凝胶支架可构建连续导热通道，但面临结构缺陷、界面相容性差、热导率与电绝缘性难兼顾三大瓶颈。

研究成果

近日，常州大学 陈海群教授 与 何大方教授 团队联合提出“异质组装”创新策略，成功开发出一种垂直排列的氮化硼/还原氧化石墨烯（TA-BN/rGO）气凝胶基复合热界面材料。该团队以单宁酸（TA）改性六方氮化硼（TA-BN）与氧化石墨烯（GO）为核心原料，通过单宁酸辅助球磨、单向冷冻铸造及高温热还原三步法，构建出具有“垂直排列氮化硼骨架-微量石墨烯桥接”的层级结构气凝胶，再经真空浸渍硅橡胶（PDMS）制备出高性能复合热界面材料。

核心性能优势显著：热传导性能方面，在仅5 wt%的低填料负载量下，复合材料的面外热导率达1.45 W/(m·K)，较纯硅橡胶提升806%，且通过定向冷冻实现了热传导方向的精准调控，面外热传导效率远优于随机排列结构；电绝缘与机械性能方面，材料具有优异的电绝缘性，击穿电压达3.68 kV，远超商用高功率电子器件所需的2 kV安全阈值，同时具备良好的机械柔韧性与抗压强度，5 wt%填料负载下压缩强度超60 MPa，可承受反复弯曲与热循环而不失效；结构与制备优势方面，高温热还原（1000℃）有效修复了石墨烯晶格缺陷，消除了 phonon散射中心，单宁酸辅助球磨实现了TA-BN与GO的均匀分散及紧密结合，形成稳定的B-O-C界面键，且整个制备工艺可规模化、材料利用率高；实际应用性能方面，户外模拟电子器件散热测试中，该复合材料可使发热单元温度较氮化硼参考样品降低15℃，经-40℃~150℃、1000次热循环后，热导率保留率仍超85%，红外热成像显示其表面稳态温度显著低于商用热界面材料与其他对照样品。该方法为下一代高性能热界面材料的开发提供了可规模化、材料高效的技术路径，相关研究成果以“Engineering Vertically Aligned Boron Nitride Skeletons Bridged by Trace Graphene for High-Performance Thermal Interface Materials”为题，发表于《ACS Applied Materials & Interfaces》。

链接：https://doi.org/10.1021/acsami.6c02734

图文速览

图1. TA-BN/rGO 气凝胶及复合热界面材料制备与微观结构表征。(a) 单宁酸辅助球磨、定向冷冻制备 TA-BN/rGO 气凝胶的流程示意图；(b) TA-BN/rGO 气凝胶整体实物图；(c) TA-BN/rGO 气凝胶横截面微观形貌；(d) TA-BN/rGO@PDMS 复合材料实物图；(e) TA-BN/rGO@PDMS 复合材料横截面微观形貌。