近年来，受益于国家政策的大力支持，我国的微电子封装和集成技术高速发展，促使电子电力设备愈加趋向多功能化和高功率化。像小米“
SU7
”、华为“三折叠”等智能高端电力产品的问世，也标志着内部热管理系统的进一步集成化。从市场需求来看，
2024
年我国消费电子市场规模可达
19772
亿元，其中，热管理市场的规模到
2025
年有望突破
1140
亿元。
然而，如何解决由高密度集成造成的信号传输质量差和热量积聚问题仍是制约电子、电力以及新能源领域创新发展的关键壁垒。目前，困于聚合物材料介电常数和导热系数之间的固有权衡，如何建立双效调控低介电常数和高导热系数之间的普适机制仍鲜为人知。因此，进一步突破聚合物电介质材料的低介电（
<2.0
）和高导热特性（
>10W/m
∙
K
）面临着巨大挑战。
近日，
北京科技大学查俊伟教授课题组
在前期
提出的“
3D
多孔复合网络”和“类晶相”结构的
基础上，
对材料的结构设计进一步升级，巧妙地
提出了构建
“
多层
3D
多孔复合网络
”
和
诱导界面处
“
类晶相
自组装效应
”
的
新思路
，发展了一种
“三明治”结构的
低介电
-
高导热多孔聚酰亚胺复合薄膜
，
成功地将低介电聚合物材料的导热系数突破了
10 W/m
∙
K
。
该工作利用不同粒径的氟化钙（大粒径
LCaF
2
，
300~500 nm
和小粒径
sCaF
2
，
40~60 nm
，）作为导热填料，结合诱导致孔和热压工艺制备了三层多孔复合膜（
PSLS
，图
1
）。此外，
基于
PSLS
薄膜组装了第一台集高效发声和实时显示功能于一体的数显热声发生器，为智能电子电力领域提供一种新概念材料
。
图
1. “
三明治结构的
PSLS
薄膜的制备示意图及其内部结构
在这里，
IL-sCaF
2
/PI
多孔复合薄膜作为三层结构的顶层和底层，中间是
LCaF
2
无机纳米层。
LCaF
2
中间层不仅可以作为绝缘层来阻断电子传导，促进介电常数的降低，而且能与上下两层中的聚合物分子形成较强的电荷转移相互作用，促进连续的三层
3D
复合网络结构的搭建。如图
2
所示，
PSLS
薄膜可在较宽的频率范围内保持稳定的超低介电常数（
k
<2.0
）。
图
2. PSLS
薄膜的
低介电和高绝缘性能的协同
同时，
PSLS-8
薄膜的面内
导热系数
高达
13.58 W/m
∙
K
，
克服
了聚合物
电介质中存在的介电常数和导热系数之间的传统权衡
。
如图
3
所示，
LCaF
2
纳米片可
看
作
“
分子碎片
”
，在
sCaF
2
/PI
基质之间构建网络，减少层间空隙和界面热阻，受界面压缩力的影响，中间层的
CaF
2
纳米片更倾向于
“
面对面
”
接触，
从而有效
促进水平方向的热传递。
通过有限元模拟和分子动力学计算充分验证了所提出的
“多层
3D
多孔复合网络”和“类晶相自组装效应”这种导热特性增强策略的可靠性和普适性。
图
3. PSLS
薄膜
的高导热特性及其内部传热模拟
基于
PSLS-8
表现出的
高导热系数和超低介电常数，作者进一步开发了一种集发声-显示于一体的智能数显热声
发生器。
如图
4
所示，整个
薄膜基板的尺寸为长
5
cm
、宽
3
cm
，
厚度控制在
75 μm
左右。
基底的
左半部分是用于“热声
”
发生器的
“
蛇形
”
电路，右半部分由功率为
20 mW
的
4*4 LED
阵列和跳线组成
显示面板。研究表明，该器件的最大发声声压可达
60.1 dB
，远远高于作者团队先前所开发的基于单层聚合物复合膜的“热声”器件的性能（
Doi: 10.1002/adma.202307804
）。
图
4.
以
PSLS
薄膜
为基底的数显热声发生器的设计及性能检测
作者提出了
“
多层
3D
多孔复合网络
”
和界面处“类晶相自组装效应”的创新思路，进一步突破了双效调控聚酰亚胺低介电和高导热特性的水平。基于有限元模拟和分子动力学计算，
建立了协同改善聚合物电介质材料低介电和高导热特性的普适理论，可为开发服务于电子、电力和新能源领域的电介质材料提供了有效的理论指导
。
本工作近期以“
Coordination of ultralow permittivity and higher thermal conductivity of polyimide induced by unique interfacial self-assembly behaviour
”为题发表于
Advanced
Functional
Materials
(
Doi:
10.1002/adfm.202417843
)
上。第一作者为
北京科技大学董晓迪
博士
生
。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202417843
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