科学网—中国科学院宁波材料所虞锦洪:界面工程实现兼具超高热导率和透波性能的柔性复合薄膜
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2026-8-7 08:40
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Interfacial Engineering Enables Flexible Composite Film Achieving Ultrahigh Thermal Conductivity and Wave Transparency
Kaiyuan Li, Linhong Li, Guichen Song, Yue Qin, Hanxi Chen, Zujian Zhao, Boren Yang, Yiwei Zhou, Yandong Wang, Rongjie Yang, Maohua Li, Fei Chen, Tao Cai, Cheng-Te Lin, Kazuhito Nishimura, Nan Jiang,Jinhong Yu *
Nano-Micro Letters (2026)18: 439
https://doi.org/10.1007/ s40820-026-02297-
1. 协同调控，规模制造： 通过界面改性和空间方向的协同取向，已实现BN基高导热柔性复合薄膜的规模化制造。
2. 界面修饰，性能突破： 薄膜具有卓越的热导率，达到78.50 W m⁻¹ K⁻¹，电磁波透射率超过99.9%。
3. 稳定长循，应用广泛： 薄膜展示了在 射频电子器件 界面信号完整性和热管理方面的巨大应用潜力。
研究背景
5G 通信、自动驾驶射频电子器件对导热薄膜提出严苛要求，需同时实现高导热、柔性、低信号损耗。六方氮化硼(BN)是绝缘导热理想填料，但高填充下易团聚、界面热阻高，会大幅降低导热、击穿强度与透波性能；现有改性方案界面作用机理尚不清晰，难以同步兼顾超高导热与电磁波高透过率，亟需界面与微观取向协同调控方案。
内容简介
在同一材料中实现高热导率和低损耗的同时优化是一个重大挑战，针对高功率射频电子器件(RF)的热管理和信号传输的双重需求， 中国科学院宁波材料所虞锦洪研究员 提出自下而上界面调控策略，采用 硅烷偶联剂 (APTES) 氨基化改性 BN，结合刮涂-真空热压实现 BN 片层高度面内取向，制备丙烯酸基柔性导热透波复合薄膜 V-AE/BN-NH₂。DFT 与分子动力学模拟证实氨基 BN 与基体形成静电强界面作用，大幅降低界面声子散射。该薄膜面内导热系数达 78.50 W m⁻¹·K⁻¹，2–6 GHz 电磁波透过率 99.94%，击穿强度超 20 kV mm⁻¹；用于 5G 路由器散热可降低芯片温度 4 ℃，信号传输无波动，热循环稳定性优异。制备工艺可规模化，解决高填充 BN 团聚、界面热阻大、透波衰减难题，为车载射频器件热管理提供全新方案。
图文导读
I 界面修饰：氨基化改性 氮化硼
BN 粉体本身表面性质比较稳定，硅烷偶联剂无法有效直接作用在 BN 粉体表面。如图1所示，采用两步法，用强碱刻蚀的方法使得 BN 粉体产生富羟基表面，增强 BN 粉体的化学活性，然后通过调节水醇比、酸碱度控制 APTES 的水解速率，提高 BN-NH₂ 合成的成功率。同时利用多种表征手段证实最终得到的粉体为 BN-NH₂。此外，利用密度泛函理论 (DFT) 对这一反应进行模拟讨论揭示了硅烷偶联剂与 BN 粉体的作用机制，硅烷偶联剂与 BN 粉体表面的B原子形成 B-O-Si 共价键。
图 1.氨基化氮化硼 BN-NH₂的合成、表征与反应机理 。
II 空间调控取向的规模化制备：利用流延刮涂结合 真空热压 两步法规模化制备柔性薄膜
为了增强聚合物基体与BN之间的界面强度，必须优化 BN 的堆叠密度。本研究采用两步工艺，结合流延刮涂和真空热压，以实现BN面内高度取向结构。首先，采用流延刮涂过程中产生的剪切力促使 BN 沿水平方向(流延方向)单轴取向。随后，利用真空热压使得 BN 与聚合物基体之间进行界面键合，有效减少 BN 和聚合物基体的界面空隙，同时进一步提升BN的取向程度。这种经过精心设计的连续制造工艺使薄膜的可扩展制造成为可能。此外，这种方法制备出的薄膜展示了即使在高BN负载下，也能具有优良的裁切性能和良好的折叠性，展现出优异的机械性能。
图 2. 复合薄膜制备与结构设计 。
III 柔性复合薄膜的导热性能与导热机理
在金属泡沫理论和有限元模拟分析中填料的取向度越高，热导率提升越大，该薄膜中的BN在聚合物基体中高度取向，这赋予了它卓越的面内热导率，同时，薄膜的热导率随着BN含量的增加而增加。值得注意的是，V-AE/BN-NH₂薄膜在面内热导率上优于V-AE/BN薄膜，在85 wt% 填料负载下达到了78.50 W m⁻¹ K⁻¹的超高热导率，与此前报道的BN基薄膜热导率增强(TCE)相比达到了顶峰。为了探究出现这一现象的原因，采用分子动力学 (MD) 模拟评估不同薄膜中 BN 与基体之间的热传导性能。模拟结果显示V-AE/BN-NH₂薄膜的热响应速度优于V-AE/BN薄膜。这归因于纯净BN表面固有的化学惰性，导致BN和基体之间产生显著的界面热阻，严重阻碍声子传播，导致热传输变差。相比之下，BN-NH₂与基体表现出强烈的静电相互作用，增强了填充物与聚合物基体之间的界面键合强度，从而显著改善了V-AE/BN-NH₂薄膜的导热性能。从温度分布图中进一步证实，BN表面氨基改性有助于提升薄膜的导热性能。基于温度剖面可以算出V-AE/BN 和 V-AE/BN-NH₂ 的绝对热导率分别为 1.04 和 1.49 W m⁻¹ K⁻¹。此外，在红外相机的捕捉下构建了一套环形加热测试装置，旨在进一步评估薄膜的面内导热性能，从结果来看，V-AE/BN-NH₂薄膜相比V-AE/BN薄膜展现出更均匀的热成像温度分布。V-AE/BN-NH₂薄膜中心与边缘之间的温差(ΔT)为10.96°C，显著低于V-AE/BN薄膜的11.72°C和 V- AE/BN薄膜的14.97°C
两种薄膜的热导率随温度升高而下降，这一趋势与Umklapp声子散射机制一致。随着温度升高，平均声子自由程减少，声子散射增强，导致薄膜的热扩散率和热导率均下降。与此同时，V-AE/BN-NH₂和V-AE/BN薄膜在25至105°C的温度范围内经历了十次加热和冷却循环。可以清楚地看到，V-AE/BN-NH₂薄膜的热导率变化极小，凸显了其稳定可靠的导热性能。为了评估V-AE/BN-NH₂薄膜的长期稳定性，还进行了 热冲击测试 。V-AE/BN-NH₂薄膜在3000次反复加热和冷却的冲击下几乎保持恒定，显示出卓越的热冲击稳定性。
图3. 柔性复合薄膜的导热性能与导热机理 。
IV V-AE/BN-NH₂薄膜在实际射频器件中的应用
V-AE/BN-NH₂薄膜在2.0-6.0 GHz频段内具有99.94%的异常高的波形透射率，信号损耗可忽略不计。这一卓越的透波性能优于商业PE薄膜。此外，V-AE/BN-NH₂薄膜具有高的击穿强度，超过20 kV mm⁻¹，显示出优异的电气绝缘性能。同时，V-AE/BN-NH₂薄膜显示了低介电常数和介电损耗，这在变频器件中使用时有效防止了因能量损失引起的热量产生。
为了评估V-AE/BN-NH₂薄膜在射频电子器件中的热管理和信号传输的实际效果，构建了一个基于路由器信号传输的热管理测试系统。包覆V-AE/BN-NH₂薄膜后，路由器电路板上电子元件的芯温相比直接暴露电路板在相同工作条件下降低约4°C，工作温度也变得更加稳定。这种卓越的实用热管理能力使得路由器的信号传输也变得更加稳定。基于5G路由器的信号传输测试显示，暴露的路由器在运行期间温度显著的变化和上升，使得上传和下载速度出现显著波动。相比之下，覆盖V-AE/BN-NH₂薄膜的路由器显示出明显稳定的上传和下载速度，置信区间更窄。这些显著的特性展现出V-AE/BN-NH₂薄膜在射频信号器件热管理领域优秀的潜力。
图 4. V-AE/BN-NH₂薄膜在射频器件中的应用 。
V 总结
本研究全面探讨了界面改性设计和空间方向调控在提升BN薄膜热导率方面的显著潜力。首先详细考察了硅烷偶联剂在BN表面的嫁接位点和键合构型。随后，采用基于填充物与基体之间静电相互作用的界面设计，有效降低了薄膜的整体热阻。详细的分子动力学模拟进一步证实了界面导热效率的显著提升。由于分子层面界面设计和微纳米级取向结构的双重调控，该薄膜的热导率显著提升至78.50 W m⁻¹ K⁻¹，在该领域创下新纪录。同时，该薄膜不仅具有卓越的击穿强度，还展示了超过99.94%的微波透射率。这些卓越的特性使该薄膜成为射频电子器件热管理领域极具前景的候选产品，为下一代高功率器件的应用奠定基础。
作者简介
虞锦洪
本文通讯作者
中国科学院宁波材料技术与工程研究所 研究员
▍ 主要研究 领域
导热复合材料
▍ 主要研究成果
从事高导热复合材料和半导体材料的研发，以第一和通讯作者在Adv. Mater., ACS Nano等期刊发表SCI论文150余篇，被引18000余次，H因子75，申请中国发明专利50余项(授权25项)，参编教材和专著共2部，主持国家自然科学基金、国家重点研究计划子课题、军工项目和企业委托项目十余项，获省部级三等奖共3项，任《绝缘材料》等多本期刊编委，入选宁波市领军和拔尖人才, 任中国复合材料学会导热复合材料专业委员会和中国电工技术学会绝缘材料与绝缘技术专业委员会委员。
▍ Email： yujinhong@nimte.ac.cn
撰稿： 原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
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