来源 | Advanced Functional Materials

链接 | https://doi.org/10.1002/adfm.202525260

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背景介绍

电子设备小型化与高功率集成要求基板兼具高导热与强机械性能，但传统复合材料面临三大瓶颈：一是高填料含量提升导热率却削弱机械性能；二是仿珍珠母层状结构难以精准调控并规模化生产；三是高温下有机-无机界面易失效，性能急剧下降。因此，亟需开发兼具强机械性能、高各向异性导热及高温稳定性的仿珍珠母复合基板，以突破热管理与结构支撑的技术限制。

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成果掠影

近日，南方科技大学俞书宏院士、中国科学技术大学倪勇教授团队联合提出 “双界面 - 自下而上组装” 设计策略，成功开发出连续层状陶瓷支架增强仿珍珠母复合基板（连续仿珍珠母复合材料），实现了机械性能与导热性能的协同突破。该策略灵感源于珍珠母的 “砖 - 泥” 结构与矿物桥连接机制，通过薄膜制备 - 烧结成架 - 树脂浸润三步法，构建出双界面结构：陶瓷 - 陶瓷强界面（矿物桥连接的连续层状陶瓷支架）与树脂 - 陶瓷弱界面（砖 - 泥结构）。这种双界面设计使材料具备卓越综合性能：机械性能方面，弯曲强度达 195 MPa、模量 39 GPa，100℃高温下强度保留率 96%，800℃极端热处理后仍保持 13% 残余强度；导热性能方面，面内导热率 8.5 W/(m・K)、面外 1.8 W/(m・K)，较不连续结构分别提升 227%、157%，各向异性显著；实际应用中，较商用玻纤增强复合材料（FR-4），面内导热率提升 9.9 倍、面外提升 2.2 倍，机械模量提升 1.8 倍，且密度相当，可有效降低电子元件表面温度 16-19℃，实现高效散热与结构稳定一体化。该材料制备工艺可规模化，为高端电子基板、集成电路封装等场景提供了高性能解决方案。研究成果以“Mechanically Robust and Anisotropically Thermal Conductive Nacre-Like Composite Enabled by Continuous Layered Ceramic Scaffold” 为题，发表于《Advanced Functional Materials》期刊。

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图文导读

图 1. 连续仿珍珠母复合材料的制备与结构表征。(a) 为材料设计与制备示意图：通过自下而上组装策略，构建含双界面（陶瓷 - 陶瓷强界面、树脂 - 陶瓷弱界面）的连续层状陶瓷支架，再经树脂浸润形成仿珍珠母复合材料；(b) 为制备流程示意图：第一步通过蒸发诱导自组装制备仿珍珠母薄膜，第二步叠层后无压烧结形成连续层状陶瓷支架（高岭土烧结形成矿物桥），第三步真空浸润氰酸酯树脂并固化，得到块体复合材料；(c) 为仿珍珠母薄膜的横截面 SEM 图像（插图为柔性薄膜实物图），显示氧化铝微片定向排列的层状结构；(d) 为连续仿珍珠母复合材料的实物图，尺寸可达厘米级；(e) 为复合材料的横截面 SEM 图像（黄色箭头标注矿物桥），插图为小角 X 射线散射（SAXS）图像，证实层状结构有序性。

图 2. 连续仿珍珠母复合材料的机械性能。(a)-(b) 为微观结构示意图：不连续复合材料（a）无矿物桥连接，界面结合弱；连续复合材料（b）含矿物桥构建的连续陶瓷支架，形成双界面；(c) 为机械性能对比：连续复合材料弯曲强度（195 MPa）、模量（39 GPa）显著高于不连续复合材料；(d) 为应力 - 应变曲线：连续复合材料模量全程稳定，不连续复合材料后期模量急剧下降；(e)-(f) 为断裂面 SEM 图像：不连续复合材料（e）断裂面粗糙，存在微片拔出与树脂变形；连续复合材料（f）断裂面平整，结构完整性好；(g) 为维氏硬度对比：连续复合材料硬度显著高于不连续复合材料；(h) 为热膨胀曲线：0-200℃范围内，连续复合材料热膨胀率更低，180℃无玻璃化转变导致的膨胀突变；(i) 为 100℃高温弯曲强度对比：连续复合材料强度 187 MPa（保留率 96%），不连续复合材料仅 67 MPa（保留率 66%）。

图 3. 连续仿珍珠母复合材料的导热性能。(a)-(b) 为导热率对比：连续复合材料面内导热率 8.5 W/(m・K)（a）、面外 1.8 W/(m・K)（b），在室温至 200℃范围内均保持优势；(c) 为导热各向异性对比：连续复合材料各向异性更显著，利于面内散热与面外隔热；(d)-(e) 为热红外成像与温度曲线：100℃热板上，连续复合材料（面外方向）120 s 内温度变化较不连续复合材料高 15℃，导热效率更优；(f)-(h) 为有限元模拟：不连续复合材料（f）热量通过树脂 - 陶瓷界面传递，效率低；连续复合材料（g）热量主要通过陶瓷支架传递，面内导热高效；面外方向（h）因层状结构，导热路径较长，呈现各向异性。

图 4. 连续仿珍珠母复合材料的实际应用性能。(a) 为复合材料制作的电路基板实物图，尺寸达 2 cm 级；(b) 为综合性能雷达图：连续复合材料在密度、模量、硬度、导热率（面内 / 面外）、各向异性方面均优于商用 FR-4；(c)-(d) 为导热率详细对比：连续复合材料面内导热率较 FR-4 提升 9.9 倍，面外提升 2.2 倍；(e) 为导热各向异性对比：连续复合材料各向异性显著高于 FR-4，利于精准热管理；(f)-(g) 为电子元件散热测试：相同加热功率下，连续复合材料基板的电子元件表面温度较 FR-4 低 16℃；(h)-(i) 为基板背面温度测试：连续复合材料基板背面温度较 FR-4 低 19℃，实现面内高效散热与面外热防护。