来源 | Nature Communications
01
背景介绍
六方氮化硼纳米片(BNNSs)和石墨烯等二维材料，已经成为研究纳米级热输运和开发先进热管理解决方案的潜在应用材料。高导热石墨烯薄膜（面内导热系数~1500 W·m-1K-1）和电绝缘低介电的BNNS薄膜（面内导热系数~70 W·m-1K-1）等二维材料薄膜已经作为手机散热片得到商业化应用。尽管具有如此高的导热性，但二维材料作为热界面材料（TIMs）的使用受到其与基底（如芯片或散热器）之间界面热传导的限制，这可能会限制整体的热传递。
TIMs在减少表面间的热阻方面发挥着至关重要的作用，在可再生能源、汽车工程和航空航天等许多领域，高性能TIMs发展非常必要，这可以显着改善现有的电子设备运行性能。
TIMs的总热阻由两部分组成，即材料热阻和接触热阻。为了最大限度地发挥二维材料的各向异性热性能，纳米片必须垂直排列在复合薄膜中，以获得10~70 W·m-1K-1的高导热系数。然而，TIMs和基底之间的接触热阻可能是材料热阻的3-5倍，是实际使用的主要障碍。
在二维材料TIMs和基底之间加入一个柔软的中间层可以减少接触热阻，但复杂的制造过程使得其可扩展生产变得困难，且改进有限。同时，二维材料、聚合物基体和基底之间存在多个界面，人们需要了解这些二维材料的纳米级热特性是如何影响各界面的声子输运，从而导致实际应用中的热阻变化。
02
成果掠影
清华大学丘陵团队、华南理工大学熊志远团队和中国科学院成会明院士团队合作，提出了一种界面声子桥策略来降低氮化硼纳米片基复合材料的接触热阻。以诱导粘塑性低分子量聚合物为基体，通过顺序堆叠和切割来操纵氮化硼纳米片（BNNSs）的排列，获得具有垂直排列的弧形叠加层结构柔性薄膜。研究表明，类弧结构可以作为声子桥，通过减少声子的反向反射和提高声子在边界处的耦合效率，使接触热阻降低70%（与没有弧状结构的BNNSs相比），具有0.059 in2 KW-1的超低接触热阻、高达20.95 kV mm-1的高介电强度，快充电池的有效冷却速度比商业产品高2-5倍。研究成果以“Low thermal contact resistance boron nitride nanosheets composites enabled by interfacial arc-like phonon bridge”为题发表于《Nature Communications》。
03
图文导读
图1 BNNS-TIMs的制备方法及微观结构。
图2 BNNS-TIMs的力学性能。
图3 BNNS-TIMs的热性能。
图4 实验和仿真验证了界面声子桥策略的有效性。
图5 BNNS-TIMs的性能及产业化。
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