东京大学先端科学研究生院长谷川瑠衣（米乐m6官方网站）先进操作数测量技术开放创新实验室（注1）兼任研究助理）、伊藤武人副教授和寺岛一夫教授（兼任米乐m6官方网站先进操作测量技术开放创新实验室指定研究员）组成。氮化硼填充（注释2、3）和环动聚合物（注4）聚轮烷（注5）复合（注6），我们开发了一种像金属一样导热的绝缘橡胶片。
水下等离子技术改性的填料将（注7）分散在聚合物溶液中，在片材厚度方向施加电场强度比传统片材高50倍的脉冲交流电场，形成填料取向度高的片材。因此，我们创造了一种绝缘橡胶板，它像橡胶一样柔软，并且在板的厚度方向上具有与金属相当的高导热率。该橡胶板有望用作智能手机等电子部件的散热片。
该技术的详细信息将于 2024 年 5 月 15 日发布复合材料 A 部分公布
＜发展的社会背景＞
在计算机、智能手机、可穿戴设备等中，随着设备变得更加复杂和节省空间，电子元件产生的热量密度不断增加。因此，热量被散发到散热元件，以防止电子元件温度升高而发生故障。导热夹层材料（注8）的散热片。导热层材料不仅必须在片材厚度方向上具有高导热性，而且还必须具有与各种类型的电子元件紧密粘合并传递热量的柔韧性，以及从外部对电子元件进行电气保护的绝缘性。然而，传统上，其导热系数为10W/mK以上，与金属相当，并且导热系数为100MPa(兆帕)以下，这是橡胶般柔软的指标。杨氏模量(注9)之外，还没有实现还具有电绝缘性能的热夹层材料。
＜研究内容＞
该研究小组与米乐m6官方网站合作，以环动聚合物聚轮烷为基础材料，添加经过水下等离子体表面改性的高导热氮化硼填料，开发出一种柔性且具有优异散热性能的橡胶材料。聚轮烷由线性聚合物（聚乙二醇）和在其上移动的环状分子（环糊精）组成。超分子的一种类型（注10），以环状分子作为交联点的橡胶，具有易拉伸、不易撕裂的特性。为了使填料均匀分散在该聚合物中，使用水下等离子体处理将羟基等官能团引入（改性）到表面上。氮化硼填料具有板状单晶结构，沿板面方向导热系数较高，因此与橡胶复合时需要对填料板面进行取向，使其相互对准。当表面改性填料在聚合物溶液中取向时，由于电场强度不足以及长时间施加时产生的介电加热，使用传统的正弦交流电场不可能实现足够的取向，这促进了溶液的凝胶化。因此，这次我们采用了脉冲交流电场，并改进了电极排列方式，使电场强度比传统方法提高了50倍。这使得可以提高氮化硼填料的取向度，同时抑制短期应用中聚合物的凝胶化（图1）。
图1 橡胶复合材料中BN填料（平均粒径7μm）的电场取向和结构评价结果
（左图）X射线衍射图。 (002)面的峰值强度在不施加电场时较大，而在施加电场时变小，并且(100)和(101)面的峰值强度增加，表明扁平填料在厚度方向上取向。
（中）氮化硼填料与聚合物复合的示意图。与不施加电场（底部）相反，通过在厚度方向施加脉冲交流电场可以实现填料取向。
（右图）X 射线 CT 图像。可以看到沿电场施加方向排列的黑色氮化硼填料的图像。
据报道，当应用传统的正弦交流电场时，当填料浓度超过30重量%时，取向是困难的，但是通过应用脉冲交流电场，即使在最大65重量%的情况下也可以表现出取向，这是世界上最高的之一。事实上，氮化硼填料和橡胶的复合片在受到脉冲交流电场作用后，在厚度方向上的导热系数达到了 11 W/mK，与金属的导热系数一样高（图 2）。
图2氮化硼填料复合橡胶板导热系数
平均粒径为7μm和02μm的两种填料按9:1的比例复合而成，总浓度为65重量%。
（左）在交联构成聚轮烷的聚合物时不施加电场。由于平板上的填料在板平面内自然排列并堆叠，因此面内方向的导热系数是厚度方向的两倍以上。
（右）交联聚合物时施加脉冲交流电场。厚度方向的热导率约为面内方向的3倍，各向异性发生了变化。
同时，该片材的杨氏模量为58MPa，与橡胶一样低，体积电阻率为19×1011我发现它是Ωcm，是电绝缘体。与之前公布的复合材料（参见相关信息）相比，该材料在保持较低杨氏模量的同时，在片材厚度方向上实现了高一个数量级的导热率。它是一种新材料，与现有材料不同，是一种像金属一样导热的绝缘橡胶片（图3）。我们可以期待新型导热中间层材料的实际应用，可应用于许多电子设备的散热。
图3杨氏模量与导热系数的关系
传统工业材料与新型橡胶复合板的比较。
（参考 M F Ashby 和 Y J M Brechet, Act Mater, 2003, 51, 5801 绘制）
＜未来展望＞
未来我们将进一步优化填料的电场取向条件和复合条件，以提高导热性和柔韧性。我们将与企业合作进行研究，以提高热中间层材料的实用性能和耐久性，目标是将其作为散热片商业化。
〇相关信息：
米乐m6官方网站/东京大学新闻公告“开发具有高散热性能的橡胶复合材料”(2018/3/6)
https://wwwaistgojp/aist_j/press_release/pr2018/pr20180306/pr20180306html
东京大学前沿科学研究生院材料学系
长谷川锐大师课程
兼：产业技术综合研究所先进运算测量技术开放创新实验室研究助理
井上健一当时的研究：博士课程
现任：名古屋大学低温等离子体科学研究中心特别研究员
助理教授宗冈仁
伊藤武人副教授
伊藤幸三 研究时：教授
现任：东京大学特聘教授
寺岛一夫教授
兼任：米乐m6官方网站先进操作数测量技术开放创新实验室特别研究员
国立产业技术综合研究所先进运算测量技术开放创新实验室
桐原一雄大学首席研究员
白田幸哉实验室主任
产业技术综合研究所纳米材料研究部
清水帝辉部门主管
杂志名称：
复合材料 A 部分
标题：电场辅助制造由等离子体表面改性的六方氮化硼和聚轮烷组成的金属级导热和弹性体级柔性复合材料
作者姓名：Rui Hasekawa*、Kenichi Inoue、Hitoshi Muneoka、Takehito Ito、Kazuhiro Kirihara、Sadaki Shimizu、Yukiya Hakuda、Kozo Ito、Kazuo Terashima*
DOI：101016/jcompositesa2024108197
网址：
https://doiorg/101016/jcompositesa2024108197
这项研究得到了科学研究补助金“基础研究（A）（项目编号：21H04450，2020-2020 财年）”和“基础研究（B）（项目编号：16H04506，2016-2018 财年）”的支持。