Multiscale Modeling of Heat Conduction in a Hydroxyethyl Cellulose/Boron Nitride Composite Realizing Ultrahigh Thermal Conductivity via a “Moisture-Activated” Strategy

材料科学 热导率 氮化硼 复合材料 界面热阻 热传导 热阻 热接触电导 复合数 热的 热力学 物理
作者
Chenggong Zhao,Chunying Chen,B.Q. Li,Yuanzheng Tang,Xinfeng Wu,Changqing Liu,Yan He,Wei Yu,Yifan Li
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.4c20264
摘要

Polymer-based thermally conductive composites are widely used in microelectronics for heat dissipation and packaging, for which the filler arrangement and the filler/matrix interfacial thermal resistance (ITR) are key factors limiting superior thermal conduction realization. This work reveals the effects of filler modification and orientation on thermal duction in the boron nitride (BN)/hydroxyethyl cellulose (HEC) through multiscale simulation approaches. Nonequilibrium molecular dynamics (NEMD) identifies that the thermal conductivity of the BN molecule is not size-dependent and proves that thermal resistance is dramatically reduced after hydroxylation modification (BNOH). Finite element simulation (FEM) reveals that maintaining a proper tilt of BN may improve both the cross-plane and in-plane thermal conductivity of the composite. Experimentally, BNOH/HEC composites with high self-viscosity are prepared via a "moisture-activated" strategy, for which the introduction of BNOH and wet hot pressing contribute to the thermal resistance reduction and filler orientation, respectively. The in-plane thermal conductivity reaches 30.64 W/mK with a cross-plane thermal conductivity of 5.06 W/mK. The films show good adaptability to surface morphology with the thermal resistance decreasing to 1.42 K·cm2/W. Practical thermal management demonstrates that the incorporation of BNOH/HEC facilitates a 15.05 °C reduction of the LED Al substrate compared to the common composite film.
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