来源 | ACS Nano，能源学人
01
背景介绍
电子设备对高效热管理材料的需求：随着电子设备向2.5D和3D封装发展，散热瓶颈成为亟待解决的问题，需要开发兼具高热导和电绝缘的材料来提高设备性能。
高热导与电绝缘之间的权衡难题：现有高热导材料（如金属和碳材料）往往伴随高电导，而绝缘材料（如氧化铝）热导率较低，难以满足高性能电子设备的需求。
02
成果掠影
近日，北京大学郭海长博士、刘磊研究员等人合作，提出了一种基于Pechini法和快速焦耳加热的创新性核壳结构材料制备方法，通过在银微球表面包覆氧化铝和氧化铍壳层，实现了高热导率与电绝缘性的平衡。研究表明，该核壳填料在保持优异热导性能（最高3.8 W/m·K）的同时，展现出极高的电阻率（~1012 Ω·cm），优于市场上传统的热界面材料。此外，通过大、小尺寸填料的复合，有效提升了材料的流动性和分散性，使其适用于电子封装和电池管理等领域。研究不仅克服了高热导材料的电绝缘性难题，也为未来高效热管理材料的开发提供了新的方向。研究成果以“Core-Shell Engineered Fillers Overcome the Electrical-Thermal Conductance Trade-Off”为题发表在《ACS Nano》期刊。
03
图文导读
图1a展示了传统的原位生长方法的示意图，该方法通过在金属球表面生长绝缘层来制备核壳结构。图1b-g展示了通过原位生长方法制备的Cu@i-Al2O3微球的扫描电子显微镜 (SEM) 图像和能量色散X射线光谱 (EDS) 映射图。结果表明，该方法成功地制备了具有致密氧化铝壳层的Cu微球。然而，当使用相同的方法来制备Ag@Al2O3微球时，由于PVP表面功能化对Ag表面不适用，导致Al2O3涂层失败。为了克服这个问题，该论文引入了Pechini方法来制备核壳填充剂。图1h展示了Pechini方法的示意图。图1i-n展示了使用Pechini方法制备的Ag@Al2O3和Ag@BeO微球的SEM图像和EDS映射图。结果表明，该方法成功地制备了具有致密氧化铝和氧化铍壳层的Ag微球。图1o-r展示了Ag、Ag@Al2O3和Ag@BeO样品的X射线光电子能谱 (XPS) 结果，进一步证实了氧化层的形成。
图2. 评估了核壳填充剂在微观和宏观层面的性能。
图2a展示了在扫描电子显微镜 (SEM) 腔中测量单个Ag球电阻的实验装置示意图。图2b-c展示了Ag@Al2O3和Ag@BeO微球在测量电阻过程中的SEM图像。图2d展示了Ag、Ag@Al2O3和Ag@BeO微球的典型I-V曲线。结果表明，Ag@Al2O3和Ag@BeO微球在涂层后表现出明显的绝缘特性。图2e展示了原始Ag和通过原位生长和Pechini方法制备的涂层Ag微球的电阻测量结果。结果表明，Ag@Al2O3和Ag@BeO微球的电阻比原始Ag微球高6个数量级，证实了这些涂层微球的绝缘特性。图2f展示了经过1000°C处理2.5小时后的Ag、Ag@Al2O3和Ag@BeO粉末的光学图像。结果表明，Ag@Al2O3和Ag@BeO粉末在高温处理后仍然保持高流动性和无团聚的块状结构，证明了氧化壳层对Ag核心的致密和牢固保护。图2g展示了通过Pechini方法制备的l-、m-和s-Ag@Al2O3微球的SEM图像。结果表明，该方法可以制备各种尺寸的Ag@Al2O3微球，并且没有明显的未涂层微球。
图3a展示了Ag@Al2O3填充环氧树脂复合材料的制备过程示意图。图3b展示了Ag@Al2O3填充环氧树脂复合材料的良好流动性的光学图像。图3c展示了不同类型核壳填充剂增强环氧树脂复合材料的粘度。结果表明，s-Ag@Al2O3填充复合材料的粘度明显高于m-Ag@Al2O3和l-Ag@Al2O3填充复合材料，这应该归因于原始s-Ag具有更大的比表面积和不规则形状。有趣的是，93 wt% l-Compound填充环氧树脂复合材料仍然表现出低粘度 (∼15 Pa s)，这符合工业标准，并且远低于85 wt% s-Ag@Al2O3填充环氧树脂复合材料，表明尺寸复合技术在降低粘度方面的意义。图3d展示了不同尺寸的Ag@Al2O3微球填充环氧树脂复合材料的导热系数。结果表明，在相同含量下，l-Ag@Al2O3填充环氧树脂复合材料的κ高于s-和m-Ag@Al2O3填充复合材料，这可以归因于使用小尺寸填充剂时更高的空隙含量。有趣的是，如果将纯Ag@Al2O3微球替换为具有相同总重量含量的Ag@Al2O3和Al2O3的化合物，即使用所谓的尺寸复合技术，κ可以显着提高，例如，通过使用l-Compound从2.1提高到3.2 W·m-1K-1。图3e展示了与商业产品或典型Al2O3或Ag填充环氧树脂复合材料相比，合成的Ag@Al2O3填充环氧树脂复合材料的导热系数和电导率。结果表明，l-Compound填充环氧树脂复合材料的κ可达到∼3.8 W·m-1K-1，而电导率仍然很高，这比商业产品和纯Al2O3填充环氧树脂复合材料更高。
图4. 展示了尺寸复合对包装体积含量和导热系数的影响。
图5. 展合成的核壳填充剂增强环氧树脂复合材料作为导热封装材料的器件性能。
图5a-c展示了使用合成的Ag@Al2O3填充环氧树脂复合材料填充可调降压转换器的光学图像。结果表明，环氧树脂复合材料具有低粘度，可以自动渗透和填充小间隙，从而提高电路板的散热性能和机械故障抗力。图5d展示了用于评估填充电池组的热管理材料的温度的实验装置。图5e展示了填充纯环氧树脂和合成的Ag@Al2O3填充环氧树脂复合材料后，在充电和放电过程中测试设备的红外 (IR) 相机温度分布图。结果表明，使用合成的环氧树脂复合材料封装的电池的温度明显低于使用纯环氧树脂封装的电池。图5f展示了使用纯环氧树脂和合成的Ag@Al2O3填充环氧树脂复合材料填充后，在充电和放电循环期间测量的18650电池的温度曲线。结果表明，使用合成的环氧树脂复合材料填充的电池的温度降低更稳定和重复，表明其具有更好的热散性能。
04
展望
推动高效电子封装材料的发展：未来可以进一步优化核壳结构材料的制备工艺，提升其热导性能与生产规模，以满足更多电子设备封装的需求，为高性能微系统提供可靠的散热解决方案。
扩展材料体系和应用领域：除银和氧化铝外，可探索其他高性能材料作为核壳填料的核心与壳层，如氮化硼、碳化硅等，以实现更高效的热管理性能，并拓展到新能源电池、5G基站等领域。
探索低维材料的潜力：未来可结合BN纳米管、二维材料等前沿材料与核壳技术，为热管理材料带来更多创新。这些新型材料在散热与电绝缘上的优异表现，将进一步推动电子设备和能源系统的高效化与稳定性。
