聚離子液體(PILs)是一類由離子液體單體聚合而成的高分子化合物,與傳統聚合物相比,其陰陽離子結合引入的多種相互作用力除增加界面粘附強度外,還能有效促進聚離子液體與導熱材料之間的連接。PIL粘彈性體繼承了聚離子液體的熱穩定性、可再加工性和機械靈活性等優良性質,是很有前途的聚合物材料。然而,將PIL粘彈性體用作TIMs基質的研究仍較少。
基于此,來自中國科學院深圳先進技術研究院的么依民、孫蓉和華南理工大學的李烈軍及他們的團隊制備了聚(1-丁基-3-乙烯基咪唑)四氟硼酸鹽(P[Im4, V]BF4)粘彈性體,并評價了其作為TIMs基質的潛力。
首先,研究人員制備了P[Im4, V]BF4并對其結構進行表征。如圖1所示,在1H NMR、FTIR譜圖中可以觀察到相應官能團的特征吸收峰,證明了P[Im4, V]BF4的成功制備。熱重分析結果表明P[Im4, V]BF4具有良好的熱穩定性(在空氣和N2條件下,P[Im4, V]BF4的分解溫度分別為277.3 °C和281.1 °C),有望用作TIMs基質。
然后,研究人員對P[Im4, V]BF4的溶解性進行了測試(圖2)并制備了P[Im4, V]BF4粘彈性體。結果顯示,P[Im4, V]BF4不溶于純水、乙醇和甲苯,但易溶于DMF等溶劑,這一特性有利于在不同溶劑環境中對其進行彈性粘附應用。隨后,研究人員通過以下步驟制備了P[Im4, V]BF4粘彈性體:(1) 將P[Im4, V]BF4粉末溶于DMF中得到均一的溶液;(2)干燥。制備所得彈性體具有良好的界面適應性,可快速粘附到銅(Cu)、硅(Si)、玻璃等基材上。此外,該彈性體還具有良好的再加工性和自愈性。經DMF分散、蒸發后,可實現粘彈性體的再生。后續實驗結果顯示,加熱至100 °C可實現粘彈性體的自修復,且愈合后的材料仍保持良好的拉伸性能。
最后,為考察P[Im4, V]BF4粘彈性體作為TIMs基質的潛力,研究人員將PIL和液態金屬(Liquid Metal, LM)通過物理混合制備了PIL/LM復合材料(LM體積分數為46%)。如圖5所示,盡管復合材料的斷裂伸長率有所下降,但仍能保持在351%左右。此外,溫度循環測試結果顯示,PIL/LM TIM經1000次循環加熱/冷卻后仍具有優秀的抗熱沖擊性能,這有利于其在長期使用過程中維持器件穩定的散熱功能。
綜上所述,該研究制備的PIL粘彈性體具有優異的機械性能、高界面粘附強度和顯著的自修復能力,具有用作TIMs基質的巨大潛力。該研究為高性能TIMs的設計與制備提供了思路。