一、研究背景

随着半导体与集成电路技术快速发展，电子器件运行频率和功率密度持续提升，器件内部热量累积问题日益严重，直接影响设备的运行稳定性、使用寿命与安全性，高效热管理方案已成为电子器件领域的核心需求。

传统金属、陶瓷基散热材料虽导热性能优异，但难以兼顾柔性、轻量化、复杂结构成型等新兴需求，限制了其在柔性电子等场景的应用。以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为代表的聚合物材料，具备优异的电绝缘性、柔性、易加工性与化学稳定性，是理想的热管理基体材料；但纯PDMS本征热导率极低（仅0.19 W/(m·K)），无法满足实际散热需求。

向聚合物基体中填充高导热填料是提升材料导热性能的主流方案，但通常需要极高的填充量才能形成连续导热网络，同时会劣化材料的力学性能、流变性能与加工性。因此，如何在较低填充量下构建高效三维导热网络，成为导热复合材料领域的研究重点。

直写成型（DIW）3D打印技术可适配多种材料体系，实现复杂结构一体化成型；更关键的是，打印挤出过程产生的剪切力可诱导填料定向排列，有助于在低填充下构建连续导热通路。本研究结合DIW剪切取向效应与h-BN/Al₂O₃二元填料协同效应，提出一种新型导热网络构建策略，制备兼具高导热、高绝缘、良好力学性能的PDMS基复合材料。

二、研究内容

2.1 实验材料

• 导热填料：六方氮化硼（h-BN）片晶，平均粒径1~2 μm；三氧化二铝（Al₂O₃）纳米粒子，均购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司
• 聚合物基体：PDMS预聚体（Sylgard 184）及配套固化剂，美国道康宁公司

2.2 实验配方

研究设置3组对比试样，探究填料复配与总填充量对材料性能的影响，具体配方如下表所示：

2.3 实验步骤

1. PDMS基液配制：按质量比10:1称取PDMS预聚体与固化剂，以800 r/min转速机械搅拌2 min，室温静置20 min进行脱泡处理。
2. 导热浆料制备：向脱泡后的PDMS基液中加入定量的BN与Al₂O₃混合填料，以500 r/min转速机械搅拌5 min，得到均匀的DIW打印墨水。
3. DIW 3D打印成型：采用HKing-D2型DIW 3D打印机，以600 mm/min的打印速度将浆料挤出，制备设定结构的试样坯体。
4. 固化处理：将打印完成的试样置于80℃烘箱中加热固化2 h，最终得到BN/Al₂O₃/PDMS复合材料试样。

2.4 表征方法与结果分析

（1）浆料流变性能

采用旋转流变仪表征浆料的流变特性，验证其DIW打印适配性，结果如图2所示。

• 剪切稀化特性：三组浆料粘度均随剪切速率升高而降低，呈现典型剪切稀化行为，可顺利通过喷嘴挤出；相同总填充量下，复配Al₂O₃的浆料粘度低于纯BN体系，归因于Al₂O₃削弱了PDMS分子间的相互作用；高填充量的45 BN/Al₂O₃浆料粘度最高。
• 模量特性：线性粘弹区内，三组浆料的储能模量(G')均高于损耗模量(G'')，呈类固态特征，可维持打印后的结构形状；超过屈服点后，模量骤降，浆料转变为液态，满足挤出需求。
• 屈服应力：40 BN/Al₂O₃、40 BN、45 BN/Al₂O₃浆料的屈服应力分别为168 Pa、206 Pa、220 Pa，均符合DIW打印的流变要求。

（2）打印成型质量

采用激光3D扫描逆向工程技术，对比打印试样与数字模型的尺寸偏差，量化打印精度，结果如图3所示。

三组试样的最大尺寸偏差分别为0.84 mm、0.77 mm、0.73 mm，相对偏差均处于较低水平，成型精度良好；其中45 BN/Al₂O₃浆料因储能模量更高，结构保持能力最优，尺寸偏差最小。

（3）微观形貌与元素分布

通过场发射扫描电镜（SEM）观察复合材料断面形貌，结合能谱（EDS）分析元素分布，结果如图4、图5所示。

复合材料断面无明显气孔与填料团聚现象，证明PDMS基体与二元填料相容性良好；45 wt%填充试样中可清晰观察到填料沿打印平面方向的取向特征，直接印证DIW剪切力对填料的定向调控作用。EDS结果显示B、N、Al元素在基体中均匀分散，为连续导热网络构建提供了基础。

（4）填料取向度分析

采用X射线衍射仪（XRD）定量表征BN片晶的取向程度，通过(002)与(100)晶面峰强度计算取向度δ，结果如图6所示。

三组试样的BN取向度均超过85%，充分证明DIW打印过程的剪切力可有效诱导BN片晶沿打印方向定向排列。相同填充量下，复配Al₂O₃的体系取向度更高；随着总填充量提升，取向度进一步升高，45 BN/Al₂O₃试样取向度最高达89.4%。

（5）导热性能与导热机制

采用红外热像仪与热常数分析仪测试材料的热管理能力与热导率，结果如图7所示。

• 热响应测试：将试样底面置于200℃加热台，加热130 min后，45 BN/Al₂O₃试样顶面温度达107℃，显著高于另外两组，体现出更优异的热传导能力。
• 热导率实测：40 BN试样热导率为0.62 W/(m·K)，40 BN/Al₂O₃试样为0.68 W/(m·K)，较同填充量纯BN体系提升10%；45 BN/Al₂O₃试样热导率达0.98 W/(m·K)，是纯PDMS的5倍以上。
• 协同导热机制：BN片晶在DIW剪切作用下定向排列，构成导热主通路；Al₂O₃纳米粒子填充于BN片层的间隙中，如同“导热桥梁”减少界面热阻，完善三维连续导热网络，实现二元填料的协同增效。

（6）电绝缘性能

测试复合材料的体积电阻率、介电常数与介电损耗，评估其电绝缘性能，结果如图8所示。

三组试样的体积电阻率均处于4.8×10¹² ~ 5.9×10¹² Ω·m量级，远高于电绝缘材料的阈值（1×10⁸ Ω·m），具备优异的电绝缘特性。在10³~10⁶ Hz测试频率范围内，材料介电损耗稳定保持在低位，高频下能量衰减小，可适配高频电子器件的应用场景。

（7）力学性能

通过万能试验机测试材料的拉伸强度与断裂伸长率，结果如图9所示。

• 拉伸强度：40 BN/Al₂O₃、40 BN、45 BN/Al₂O₃的拉伸强度分别为1.65 MPa、1.64 MPa、1.35 MPa，均高于纯PDMS的1.31 MPa，体现出填料对基体的增强作用。
• 断裂伸长率：纯PDMS断裂伸长率为130%，三组复合材料分别为78.36%、99.34%、58.76%；填料的加入会限制PDMS分子链运动，导致韧性有所下降，但45 wt%填充量下仍保持可用的柔性。

三、研究结论

四、论文基本信息