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北科大查俊偉教授團隊 Adv. Mater.：實現聚酰亞胺介質薄膜新突破 - 雙效調控介電和導熱性能

2023-10-20 來源：高分子科技

聚酰亞胺（PI）具有機械性能好、熱穩定性高、耐化學腐蝕等優勢，被認為是解決制約電子電氣行業發展的關鍵性材料。然而，聚合物本身的無定形態以及熱導率與介電常數之間的正相關性導致PI的低介電/高導熱特性難以協同改善。目前，多數的研究工作也只能從單方面來調節PI的介電或導熱性能，雖取得了一定的成果，但對于協調聯控聚酰亞胺的低介電-高導熱機制仍然鮮為人知。如何設計、開發同時具有高熱導率和低介電常數的聚酰亞胺材料依然面臨巨大的挑戰。

北京科技大學查俊偉教授課題組在前期通過分子結構設計和空間網絡架構制備低介電聚酰亞胺的基礎上，日前與北方工業大學趙全亮教授課題組合作，提出了構建“3D多孔復合網絡”的設計策略和有序“類晶相”的新概念，發展了一種特有結構的低介電-高導熱多孔聚酰亞胺復合薄膜。該工作首次將天然螢石（氟化鈣，CaF₂）作為導熱填料，離子液體（IL）為致孔劑在PI基體中構建了3D多孔復合網絡。3D多孔復合網絡的構建一方面可通過多孔結構的存在降低體系內部極化分子的密度以實現介電常數的下降；另一方面，3D網絡的存在促進了導熱填料之間的有效搭接，為聲子的高效傳輸提供了便捷通路。有趣的是，CaF₂與PI之間的電荷轉移作用又促進了PI分子鏈的有效取向，進而誘導了有序“類晶相”結構的形成。3D多孔復合網絡和有序“類晶相”結構相聯合，共同促進了聚酰亞胺復合材料低介電常數和高導熱系數的協同改善，為聚酰亞胺在電子電氣領域的創新型發展提供了新思路。

IL-CaF₂/PI多孔復合薄膜的合成及其微觀結構

基于天然螢石和PI之間的電荷轉移相互作用，形成了具有雙折射行為的部分有序結構，顯著提高了PI的熱管理能力。研究表明，10vol% IL-CaF₂/PI 多孔復合薄膜表現出高熱導率（λ=7.22 W?m^-1?K^-1）和低介電常數（ε_r=2.14，f=10⁶ Hz）。

薄膜內部“類晶相”結構的形成機理及其光學特征

這種高效的熱傳遞確保了復合薄膜具有冷卻電子器件/設備（如智能手機和發光二極管）和快速光熱響應的能力。此外，基于熱-聲效應，IL-10vol% CaF₂/PI 薄膜可被設計成柔性超聲波發聲器，其能有效地在寬頻范圍（20 kHz~100 kHz）內穩定發聲，為未來的可穿戴超聲波探測器提供了一種新型理想材料。

IL-CaF₂/PI多孔復合薄膜優異的熱管理能力和光熱響應特性

IL-10 vol% CaF₂/PI基柔性超聲波發聲器的設計及性能監測

作者提出了“3D多孔復合網絡”的創新思路，并基于“類晶相”結構的新概念，開發了一種低介電-高導熱的多孔聚酰亞胺復合膜。該設計理念巧妙地打破了制約材料低介電常數和高導熱系數難以聯控的瓶頸，賦予了聚酰亞胺薄膜優異的多功能性，進一步擴大了聚酰亞胺在電子、電氣領域的應用前景。本工作近期以“Dual-effect Coupling for Superior Dielectric and Thermal Conductivity of Polyimide Composite Films Featuring “Crystal-like Phase” Structure”為題發表于Advanced Materials (Doi: 10.1002/adma.202307804)上。第一作者為北京科技大學董曉迪博士生。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202307804

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（責任編輯：xu）

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