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                三維氮化硼作為導熱填料,效果更突出!

                2021-10-20 08:48:31

                聚合物基導熱材料因成本低廉且具有良好的加工特性而得到廣泛應用,通常由導熱填料和聚合物基質組成。一些電子器件例如5G通信和大規模集成電路等場合不僅要求散熱材料具備高導熱性能,還要求其具有良好的絕緣性能。

                常用的絕緣導熱填料有氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、氮化鋁、氮化硼、碳化硅等,其中,氮化硼(BN)導熱系數屬于較高的級別,且不會像氮化鋁一樣水解,以及密度只有2.2g/cm3,而且在漿料中不易沉降,因此作為導熱填料有獨到優勢。

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                對于傳統的聚合物基導熱材料,一般是將導熱填料隨機分散于聚合物基體中。隨著填料含量的增加,填料與填料之間逐漸形成導熱通路,填料與填料間的熱阻也逐漸減小,在宏觀上表現為熱導率的上升。

                但是,由于填料間缺乏直接接觸或相互作用,使得聲子傳輸通路不暢,阻礙了熱導率的進一步提升。此外,填料含量的進一步提升也極大地增加了填料-基體界面面積,而一些導熱填料與基體的相容性差,兩者之間缺乏導熱通路,導致填料與基體間熱阻的上升,影響導熱性能。進一步地,相容性差還會導致填料的團聚,在基體中不容易分散,還會導致復合材料其他性能(如力學性能和絕緣性能等)的下降。



                提高氮化硼填料導熱的方式



                在BN中,導熱載體為聲子,對于以BN作為導熱填料的聚合物基材料,在根本上是由聲子運動、傳播以及散射所支配。對于BN本身來說,由于其結構比之聚合物相對規整,因此聲子在BN晶體面內能夠較快地傳輸,BN晶體尺寸越大、晶體缺陷越少,其熱導率就越高。此外,在填料與聚合物基體的界面處,聲子會發生散射,從而表現為填料-基體界面熱阻。

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                要實現聚合物復合材料的高導熱性,一般除了開發新的高導熱材料之外,還可以從以下幾個方面入手:①通過適當的方法使填料搭接起來,構筑完善的導熱通路;②對填料或者基體進行修飾,減小填料與基體間的界面熱阻,同時提高填料在基體中的分散性。

                因此,在聚合物基體中構筑三維填料網絡是一種思路,這種方法能高效地構建導熱通路,相比于隨機分散填料體系,可以在低填料含量下表現出更高的導熱性能。



                氮化硼填料的三維構筑方法

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                不同填料的形狀尺寸不同,混合后填料間的導熱通路比單一填料更加豐富,從而更高效地構建三維導熱網絡。使用雜化填料主要有以下優勢:


                ①不同幾何形狀的導熱填料之間存在協同效應,可使復合材料在低填料含量下實現更高的熱導率,同時還能很好地保持聚合物基體的本征優勢,例如優異的機械性能及加工特性;

                ②加入填料能夠賦予復合材料其他的功能,例如阻燃性和疏水性等。

                例如,纖維素納米纖維(CNFs)具有可再生、來源豐富以及易制備為氣凝膠的特點。此外,纖維素納米纖維能夠穩定無機填料,增強無機填料在聚合物基質中的分散性。因此,可將其與BN混合使用,作為導熱復合材料的填料。


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                BN與纖維素納米纖維(CNFs)復合

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                模板法一般以多孔材料為模板,在其上生長或沉積BN,從而得到三維BN骨架。模板可采用金屬泡沫、石墨烯泡沫、塑料泡沫等。

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                模板法所構筑的三維導熱網絡具有導熱通路連貫、微觀結構相對可控以及填料質量高的優點,但缺點是填料含量偏低。由于模板本身密度不高,在其上附著的BN含量也少。有研究利用壓縮模板來提高填料含量的方法,但該方法仍然很難將填料含量提升至50%以上,故而對復合材料導熱性能的提升存在較大的限制。

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                自組裝法是在BN的溶液體系中,引入能使體系內分子產生相互作用(分子間吸引、排斥或形成化學鍵等)的條件,使BN組裝成3D網絡的方法。

                例如,氧化石墨烯(GO)在水溶液中會呈現類似液晶相的排列,利用此性質,將BN與GO一同經水熱反應后,可組裝成氮化硼-還原氧化石墨烯(BN-rGO)三維網絡。

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                自組裝法實現較模板法更為簡便,且填料含量上限也比模板法要高,但這種方法會引入粘結劑或者高導電性填料來輔助其三維網絡的形成,這些物質的引入會造成導熱通路的不連貫或者絕緣性能的下降。

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                采用靜電紡絲及熱壓等方法將氮化硼與聚合物定向堆疊相互連接;通過溶液法制備三元復合材料,復合材料中分布三維分離網絡,這種制備方法簡便、成本低,可大規模制備三維填料網絡結構的復合材料,且具備良好的熱穩定性;采用機械化學法,使填料與聚合物基體間形成共價鍵,從而實現填料的均勻分散并降低填料與基質間的界面熱阻。

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                三維BN聚合物復合材料的高導熱性及良好的絕緣性使得其能夠應用于多種場合,包括太陽能光熱發電和熱界面材料等領域,有著廣闊的應用前景。

                然而目前還存在以下問題:

                (1)由于BN的化學惰性,BN在聚合物基體中容易發生團聚,因此分散性較差,如何有效改善填料與基體間的相容性,進一步降低界面熱阻仍然值得探索;

                (2)雜化填料能夠利用不同填料的協同效應來構建三維網絡,提升導熱性能的同時,不同的填料也能賦予復合材料更多性能(如阻燃性、熱穩定性及疏水性等)。但也需要注意的是,不少填料本身具有強導電性(如石墨烯、炭黑等),將BN與導電填料混合時,應考慮復合材料的電絕緣性;

                (3)由模板法所構建的BN三維導熱材料的填料含量難以提升;

                (4)預先構建三維導熱網絡之后,需要采用真空浸漬法將聚合物基質灌入其中,若聚合物前驅體黏度過大,極易導致聚合物填充不完全,使復合材料中出現空泡,大大降低其導熱性。因此,應合理選擇聚合物基體,并不斷優化復合材料的制備工藝。



                總而言之,三維BN導熱填料是一個重點研究方向,但怎么解決其實際制備中的一些關鍵性問題,真正實現生產應用,仍需要結合下游應用需求進一步探索。


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