《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Multifunctional integrated material based on a zinc oxide network for thermal conduction, electromagnetic interference shielding, and adhesion
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本研究通过在铝箔上直接生长氧化锌网络并涂覆丙烯酸胶粘剂，制备出具有高热导率（147 W/m·K）、优异电磁屏蔽（>60 dB）和绝缘性能的复合材料，有效降低界面热阻至1.3 K·mm2/W?1，同时保持铝箔的电磁屏蔽能力。
马文轩|卢文光|王阳|王金彪|冯超|赵正白|杨军
江苏科技大学材料科学与工程学院，镇江212003，中国
摘要
预形成的导热填料网络是提高复合材料导热性的常用方法。然而，其主要局限性在于难以与散热器紧密耦合，导致界面热阻增大，散热效果降低。在本研究中，首先在铝（Al）箔上生长氧化锌（ZnO）网络，形成一种集成的热传输结构，将Al箔与连续的导热填料网络结合在一起，从而能够直接将热量从导热网络传递到散热器。随后，涂覆丙烯酸粘合剂（AA）并使其渗透到ZnO网络中，从而使材料具有优异的粘附性能。该复合材料的面内和垂直方向的导热系数分别为147 W/m·K和2.8 W/m·K，Al箔与ZnO@AA层之间的界面热阻可降至1.3 K·mm2·W?1。此外，所提出的结构同时保留了Al箔的电磁屏蔽能力和AA的电气绝缘性能。导热性、电磁屏蔽性、强粘附性和有效的绝缘性对于电子封装至关重要。该设计满足了上述要求，并具有良好的实际应用潜力。
引言
电子材料已成为现代工业的重要组成部分，推动了相关封装材料的重大进展。[1]、[2]、[3]、[4] 鉴于电子材料的特殊性质，其封装通常需要具备导热性、电气绝缘性和电磁屏蔽性等关键性能。[5]、[6]、[7] 导热性确保电子元件的长期稳定运行，电气绝缘性保障操作安全，电磁屏蔽性使元件能够在不受外部电磁场干扰的情况下正常工作。[8]、[9]、[10]、[11]、[12] 无论是专注于提升单一性能还是整体性能，这两种方法对电子封装材料都具有重要意义。
大量现有研究表明，建立连续的导热填料网络是提高热界面材料（TIMs）导热性的有效策略。[13] Bai等人使用双向冷冻技术在环氧树脂基体中构建了氮化硼纳米片三维导热网络，在15体积%的填料负载下，导热系数可达6.07 W/mK。[14] Wu等人通过纳米纤维素辅助的单向冷冻干燥氮化硼纳米片（BNNSs）浆料制备了一种新型环氧复合材料，该复合材料含有三维垂直排列的BNNS网络和长程连续孔道，在4.4体积%的BNNSs负载下，其垂直方向的导热系数高达1.56 W/mK。[15] Li等人设计了一种密集的互连填料框架，该框架由宏观级别的碳纤维阵列与高质量的自组装石墨烯网络焊接而成，在环氧树脂填充后，其垂直方向的导热系数可达262 W/mK。[16]
Zhao等人通过静电组装和热压缩技术合成了聚偏二氟乙烯-氧化铁-还原氧化石墨烯/单壁碳纳米管层状复合材料。这种含有2.02体积%单壁碳纳米管的复合材料表现出优异的电磁屏蔽效果，X波段的电磁波吸收率超过85.0%。[17] Chen等人通过反应诱导相分离在树脂基体中制备了环氧树脂（EP）/聚醚砜（PES）/多壁碳纳米管（MWCNT）/石墨烯复合材料，形成了双连续导电网络，其平均电磁干扰屏蔽效果（SE）值为42 dB，拉伸强度为44.5 MPa。[18] Hwang等人通过将聚苯乙烯微球涂覆MXene和BNNS并热压处理，制备出了电磁屏蔽材料。由MXene和BNNS构成的填料网络能有效提升复合材料的电磁屏蔽性能。[19]
基于以往的研究，在复合材料中构建填料网络显著提高了导热性和电磁屏蔽性能。众所周知，电磁屏蔽性能通常与电导率呈正相关；然而，大多数电子封装材料需要绝缘性能，因此填料通常选自绝缘材料。尽管如此，填料网络会在聚合物基体内产生许多界面区域，从而吸收电磁波并提升电磁屏蔽性能。因此，本研究旨在设计一种多孔填料网络，以同时实现导热和电磁屏蔽的双重功能。为了进一步提高材料的导热性和电磁屏蔽性能，本研究采用在Al箔上直接生长ZnO网络的方法。[20]、[21] 该设计不仅利用了Al箔的电磁屏蔽性能和高导热性，还有效降低了热界面材料与散热材料之间的界面热阻。本研究的最终目标是赋予材料良好的粘附性能，确保其实际应用性。先前的研究表明，构建导热网络可以保持对树脂基体的粘附性；然而，常用的方法（如填料吸附/涂层和热压成型）通常仅适用于特定场景，不适用于本研究。[22]、[23] 鉴于之前的实验结果以及粘合剂的流变学和粘附性能，本研究采用丙烯酸涂层方法对填料导热网络进行填充，从而确保材料的粘附性。[24]、[25]、[26] 通过这种设计，材料可以实现多种功能，同时满足不同应用场景的需求。
材料
醋酸锌二水合物（Zn(CH?COO)?·2H?O）、氢氧化钠（NaOH）、铝箔、离型膜、硝酸锌六水合物（Zn(NO?)?·6H?O）、六亚甲基四胺（HMTA）、聚乙烯亚胺（PEI）、乙酸乙酯、甲苯二异氰酸酯（TDI）均购自上海阿拉丁生化有限公司；乙醇（99.7%）购自镇江促进科学设备有限公司。
种子溶液的制备
通过溶解0.005 mM醋酸锌二水合物（Zn(CH?COO)?·2H?O）和0.006 mM氢氧化钠...
结果与讨论
本研究的主要设计思路如下：首先，在Al箔上生长的ZnO网络直接降低了界面材料与散热器之间的连续界面热阻，从而提高了散热性能；其次，结合了Al箔本身的高电磁波反射率和ZnO网络的孔隙效应，协同增强了电磁屏蔽效果；最后，ZnO网络中的空隙得到了充分利用...
结论
本研究通过先在铝（Al）箔上生长氧化锌（ZnO）网络，再将其涂覆丙烯酸粘合剂（AA），制备出了一种集成材料（ZnO@AA/Al箔），该材料具有高导热性、电磁屏蔽性、绝缘性和良好的粘附性能。ZnO@AA层的垂直方向导热系数为2.3 W/mK，远高于纯AA（约0.2 W/mK）。在8.2–12.4 GHz频段内，ZnO@AA/Al箔的总屏蔽效果超过60 dB。
补充信息
图S1：氧化锌生长产物的微观形态随原材料含量的变化。图S2：AA/Al箔和ZnO@AA/Al箔复合材料在稳定性测试中的滑移现象。图S3和图S4：ZnO@AA/离型膜复合材料的制备过程。图S5：ZnO@AA在ZnO@AA/离型膜复合材料中的微观形态。表S1：详细的热接触电阻值。
CRediT作者贡献声明
赵正白：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理。杨军：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念构思。王金彪：软件开发，数据分析。冯超：撰写 – 审稿与编辑，监督。卢文光：数据分析，数据管理。王阳：撰写 – 审稿与编辑，数据分析。马文轩：初稿撰写，实验研究，数据分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
可控设计与应用功能性粉末材料科学研究与创新团队（2025XKJCTD02）。
