Effect of Nanoscale in Situ Interface Welding on the Macroscale Thermal Conductivity of Insulating Epoxy Composites: A Multiscale Simulation Investigation

材料科学 复合材料 热导率 界面热阻 传热 氮化硼 环氧树脂 热传递 焊接 热接触电导 热传导 热阻 图层(电子) 热力学 物理
作者
Dongliang Ding,Ruoyu Huang,Bo Peng,Yangyang Xie,Haitao Nie,Chenhui Yang,Qiuyu Zhang,Xueao Zhang,Guangzhao Qin,Yanhui Chen
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (19): 19323-19337 被引量:38
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c06524
摘要

Insulating thermally conductive polymer composites are in great demand in integrated-circuit packages, for efficient heat dissipation and to alleviative short-circuit risk. Herein, the continuous oriented hexagonal boron nitride (h-BN) frameworks (o-BN@SiC) were prepared via self-assembly and in situ chemical vapor infiltration (CVI) interface welding. The insulating o-BN@SiC/epoxy (o-BN@SiC/EP) composites exhibited enhanced thermal conductivity benefited from the CVI-SiC-welded BN–BN interface. Further, multiscale simulation, combining first-principles calculation, Monte Carlo simulation, and finite-element simulation, was performed to quantitatively reveal the effect of the welded BN–BN interface on the heat transfer of o-BN@SiC/EP composites. Phonon transmission in solders and phonon–phonon coupling of filler–solder interfaces enhanced the interfacial heat transfer between adjacent h-BN microplatelets, and the interfacial thermal resistance of the dominant BN–BN interface was decreased to only 3.83 nK·m 2 /W from 400 nK·m 2 /W, plunging by over 99%. This highly weakened interfacial thermal resistance greatly improved the heat transfer along thermal pathways and resulted in a 26% thermal conductivity enhancement of o-BN@SiC/EP composites, compared with physically contacted oriented h-BN/EP composites, at 15 vol % h-BN. This systematic multiscale simulation broke through the barrier of revealing the heat transfer mechanism of polymer composites from the nanoscale to the macroscale, which provided rational cognition about the effect of the interfacial thermal resistance between fillers on the thermal conductivity of polymer composites.
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