来源 | Advanced Functional Materials

链接 | https://doi.org/10.1002/adfm.202520689

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背景介绍

随着电子器件向高集成、高功率、柔性化发展，局部过热成为制约性能与寿命的核心瓶颈，亟需兼具高效散热、优异机械性能与热稳定性的新型材料。聚（对苯基苯并双恶唑）（PBO）纳米纤维薄膜凭借突出的热稳定、机械强度与散热能力，成为下一代热管理材料的优选候选。然而，PBO 固有溶解性与熔融性差的特性，导致高质量薄膜制备难度大，传统溶胶 - 凝胶法存在操作繁琐、环境风险高、结构缺陷多等问题，严重限制其应用。在此背景下，开发高效、绿色、可规模化的制备策略，优化薄膜聚集结构以释放材料本征性能，成为推动其在电子热管理领域落地的关键。

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成果掠影

近日，复旦大学卢红斌教授、王乐泉团队在聚对苯撑苯并双恶唑（PBO）纳米纤维膜的无三氟乙酸（TFA）分级组装制备、热导率与机械性能协同提升及柔性电子热管理应用领域取得重要研究进展。通过质子受体溶剂（如H₂O）调控 PBO 纳米纤维（PBONFs）聚集并结合外力辅助结晶，解决了传统溶胶 - 凝胶法操作繁琐（需 7 天以上）、TFA 有毒且易致结构缺陷的问题；所制备的 PBO 纳米纤维膜（尤其 PBOH 膜）展现出卓越性能：面内热导率达 25.85W/mK、拉伸强度 189.98 MPa、5% 热失重温度（≈517℃)，且制备效率大幅提升（从数天缩短至 13.67 小时甚至几分钟）；将其用作柔性印刷电路板（FPCB）基板时，可有效均温并降低表面温度 16.7℃，为下一代电子器件的先进热管理提供了可规模化的解决方案。研究成果“Strong and Thermally Conductive Poly(p-Phenylene Benzobisoxazole) Nanofiber Films via a Hierarchical Assembly Strategy”为题发表在《Advanced Functional Materials》。

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图文导读

图1. PBO 纳米纤维膜的制备流程（放大图展示通过 π-π 堆积部分再生形成的PBO纳米纤维（PBONFs）聚集结构）。(a) PBO微纤维；(b) PBO微纤维在甲烷磺酸中解离为 PBONFs；(c) 加入质子受体溶剂（X = 水、N - 甲基吡咯烷酮（NMP）或二甲基亚砜（DMSO））进行去质子化，形成聚集体；(d) 通过真空辅助过滤形成 PBO 湿膜；(e) 制备得到的 PBO 纳米纤维膜；(f,g)PBOD 膜（质子受体溶剂为 DMSO）和 PBOH 膜（质子受体溶剂为水）中分子链堆积的示意图及其对应的层状结构。

图2. 不同溶剂体系中 PBONFs 形貌的原子力显微镜图像：(a) MSA；(b) MSA - 水；(c) MSA-NMP；(d) MSA-DMSO。(e) MSA、MSA - 水、MSA-NMP和MSA-DMSO体系中 PBONFs 聚集体的动态光散射（DLS）粒径分布。(f) 不同溶剂中 PBONFs 的紫外 - 可见（UV-vis）吸收光谱。(g) 不同去质子化溶剂制备的 PBO 纳米纤维膜的拉曼光谱。(h) MSA 中质子化的 PBONFs；(i)经水预去质子化的 PBONFs 聚集状态；(j) 具有致密堆积结构的 PBONFs 膜；(k) 经 NMP 或 DMSO 预去质子化的 PBONFs 聚集状态；(l)具有松散堆积结构的 PBONFs 膜。 

图3. PBO 纳米纤维膜的晶体学表征。(a) PBO 晶体的理论晶体结构。(b-d)PBOH 膜、PBON 膜（质子受体溶剂为 NMP）和 PBOD 膜的二维掠入射广角 X 射线散射图像。(e) 通过计算得到的不同 PBO 纳米纤维膜的相对结晶度。(f) 不同 PBO 纳米纤维膜中的声子传输机制（→表示高效声子传输，…→表示受阻声子传输；PBO 晶体为声子传输介质，PBO 纳米纤维膜为热流传递载体）。

图4. PBO 纳米纤维膜的热导率性能。(a) PBO 纳米纤维膜的面内热导率和面外热导率。(b) 不同材料的热导率及热导率 / 密度对比。(c) PBO 纳米纤维膜在不同测试角度下的热导率。(d) PBO 纳米纤维膜和 PBO - 环氧树脂复合膜的热传输路径示意图。(e) 铝膜、PBOH 膜和商用聚酰亚胺膜作为均热片时，热源热管理的上表面温度 - 时间曲线（插图：热管理测试装置示意图）。(f) 不同膜的红外图像。

图5. PBO 纳米纤维膜的力学性能、介电性能和热稳定性。(a) PBO 纳米纤维膜的应力 - 应变曲线。(b) PBO 纳米纤维膜的拉伸强度和拉伸模量。(c) 展示 PBOH 膜柔韧性的光学照片。(d) PBO 膜的综合性能对比。(e) PBO 纳米纤维膜的介电损耗角正切（tanδ）和介电常数随频率的变化。(f) PBOH 膜在不同温度区间的热膨胀系数和尺寸变化。(g) PBOH 膜和商用 PI 膜作为柔性印刷电路板基材时，模拟印刷电路的上表面温度 - 时间曲线（插图：柔性印刷电路板测试装置示意图）。(h) 电路上表面温度的红外图像。

图6. 高浓度 PBO 溶液制备的 PBO 纳米纤维膜的力学性能和热导率。(a) 浓度逐渐升高的PBONFs溶液照片。(b) 不同浓度 PBO 溶液的制备时间和组装时间对比（参考文献 11 和 12 为对比组）。(c) PBO纳米纤维膜的应力-应变曲线。(d) PBO纳米纤维膜的拉伸强度和断裂伸长率。(e) PBO纳米纤维膜断裂截面的扫描电子显微镜图像。(f) PBO纳米纤维膜的面内热导率。(f) PBO 纳米纤维膜的面外热导率。(h) 不同浓度PBO溶液制备的PBO纳米纤维膜的综合性能对比。