一种具有强粘附性和各向异性导热性的生物启发聚合物基复合材料

高功率电子架构或器件的集成和功能需要高强度和良好的热流接口。然而，由于交联柔性链和高质量晶体结构之间的权衡，同时改善聚合物的界面键和声子传输是具有挑战性的。在这里，设计和合成了一种共聚物，聚甲基丙烯酸多巴胺-羟乙基甲基丙烯酸酯[P(DMA-HEMA)]，灵感来自蜗牛和贻贝的粘附。由于氢键和机械联锁的协同作用，共聚物的表面附着力高达6.38 MPa。当共聚物被引入垂直排列的碳纳米管(VACNTs)中时，P(DMA-HEMA)中的儿茶酚基在界面处通过π-π相互作用与纳米管形成强键。结果表明，P(DMA-HEMA)/VACNTs复合材料具有高的平面导热系数(21.46 W m−1 K−1)，面内导热系数是原始VACNTs的3.5倍，并且具有极低的接触热阻(20.27 K mm2 W−1)。此外，复合材料在两块不同金属之间形成无焊接的高强度连接，以架起定向热通道。即使在零压力条件下，它也表现出优异的界面传热能力和高可靠性。

P(DMA-HEMA)/VACNTs复合材料的制备与表征。a) P(DMA-HEMA)共聚物的合成。b) VACNTs和c) P(DMA-HEMA)/VACNTs的SEM横截面图像。插图是放大的视图。d) P(DMA-HEMA)/ vacnt在衬底上强粘附的机理示意图。e) P(DMA-HEMA)和P(DMA-HEMA)/ vacnt的热重分析(TGA)结果。f)不同DMA:HEMA化学计量比下制备的P(DMA-HEMA)的应力-应变曲线。g)不同DMA:HEMA比例的P(DMA-HEMA)和P(DMA-HEMA)/ VACNTs复合材料在两个铜板上的粘接强度。h) P(DMAHEMA)/VACNTs (DMA:HEMA = 1:5)复合材料在不同温度下的粘接强度。

P(DMA-HEMA)/VACNTs复合材料的导热性能A) κ⊥和κ//值。b)热接触电阻和粘接强度(夹在铜板之间时以搭剪强度测量)。c) P(DMA-HEMA)与vacnt之间的声子输运和相互作用示意图。d)我们的P(DMA-HEMA)/VACNTs复合材料与报道的粘合导热材料的κ⊥和粘合强度的比较。

热管理测试使用激光红外热导率评估装置。a)激光-红外热成像实验示意图。b)不同时间原始VACNTs、PHEMA/VACNTs和P(DMA-HEMA)/VACNTs的红外相机图像。c)表面最高温度随加热时间的演变。d) 15s时沿中央水平线((b)中的白色虚线)的温度分布。

P(DMA-HEMA)/ vacnt作为界面热粘接剂的应用。与P(DMA-HEMA)/VACNTs连接的不同材料的照片:a)碳，a ‘)碳纤维，a ‘‘)铜和a ‘‘‘)铝。b) EP、EP/VACNTs、P(DMA-HEMA)、P(DMA-HEMA)/VACNTs粘附铝棒的弯曲应力-应变曲线。(c) EP/VACNTs或P(DMA-HEMA)/VACNTs粘附各种导热材料的抗弯强度。d)照片显示9.29公斤的重量由P(DMA-HEMA)/VACNTs连接在一起的两根铝棒提起。e)完整铝棒和与EP和P(DMA-HEMA)/VACNTs集成的单独铝棒的颜色(温度)变化的数码照片和三张红外图像(每张图像分别为左、中、右)。f)热传导过程中面板(e)中“+”点的表面温度演变。g) (e)复合材料导热过程中P(DMA-HEMA)/VACNTs或环氧树脂夹在两根铝棒之间的有限元分析和h)温度演化。

零压条件下P(DMA-HEMA)/VACNTs复合材料界面热管理a)使用P(DMA-HEMA)/ vacnt桥接加热器和散热器的示意图。b)不同压力和粘接条件下加热器表面温度随加热时间的变化。c)不同工况下的散热能力有限元分析。d)模拟(c)中TIM的界面温度分布。e)零压条件下P(DMA-HEMA)/VACNTs复合材料的热循环稳定性。

我们报道了一种仿生和高粘性的P(DMA-HEMA)/VACNTs作为导热复合材料的潜在用途。该复合材料具有良好的各向异性导热系数(21.46 W m−1 K−1)。通过与表面形成氢键、金属配位和机械联锁，P(DMA-HEMA)/ VACNTs复合材料具有高粘附能力(拉剪强度高达4.55 MPa)，从而具有较低的热接触电阻。由于与碳纳米管相互作用(如π-π相互作用)和儿茶酚基团之间的氢键，复合材料的κ//值是原始vacnt的335%。P(DMA-HEMA)/ vacnt优越的导热性和粘附能力意味着它可以通过将传热能力恢复到完整水平来应用于损伤热通道的异质集成。此外，该复合材料在无应力条件下作为热界面材料表现出优异的热稳定性和可靠性。因此，作为高强度、长期使用的散热元件具有很大的潜力。这些发现将为未来研究制造具有多级热阻优化设计的高性能导热材料提供重要的见解。

转自：“科研一席话”微信公众号

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