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如何進一步提升氮化硼填料的導熱作用?試試磁性調控(一)

2021-12-07 10:44:49

采用添加導熱填料的方式來提高高分子聚合物基體的導熱性能,來解決新一代高功率、高度集成、體積更小的電子產品器件的散熱問題,已經是主流的常用方案。氮化硼(BN)是目前導熱非常高的絕緣導熱材料,受限于高性能粉體的制備生產以及應用技術還不夠成熟,且價格偏高,目前市場還處于初期階段,但國內外關于氮化硼作為導熱填料的研究一直是備受關注的熱點。

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目前,復合型導熱高分子材料的導熱機理主要包括導熱路徑理論、導熱滲濾理論和熱彈性系數理論。

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導熱路徑理論是最重要且用途最廣的理論,其通過導熱填料與聚合物基體的接觸來形成路徑。由于聚合物基體的巨大熱阻,熱流將沿著熱阻最小的導熱填料通道傳遞,即熱流想方設法從導熱填料“搭的橋”通過。

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導熱填料添加量較低時,填料隨機分散在聚合物基質中(此時聚合物基質為連續相,而導熱填料為分散相,類似于海島狀結構),填料間很少相互接觸和相互重疊,難以形成有效的導熱通道和網絡。在這種情況下,填料間搭的“橋”不能互通,熱流根本走不通,也就只好還是從基體間通過,此時復合材料的熱導率跟基體的固有熱導率并無多大差別。

隨著進一步添加導熱填料,填料開始相互接觸,并且在聚合物復合材料中會形成更多的導熱鏈或網絡(聚合物基質和填料都為連續相),導熱通路一通,這種情況下復合材料的熱導率就會明顯提升。

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這個理論是源自導電聚合物的滲濾現象,即在高分子樹脂基體與導電填料之間有一個“滲濾閾值”,當導電填料的添加體積分數達到一個臨界值時,在滲透轉變點附近,聚合物復合材料的電導率急劇增加,增加了數百倍甚至數千倍。

但是研究表明,導熱復合材料的熱導率通常是隨著導熱填料的增加而緩慢提升的,并不能完全適用,目前,滲濾行為僅在一些具有高導熱填料例如碳納米管(CNT)的填充的聚合物復合材料中發現。

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通過分析各種無機物質的熱特性,非金屬材料通常依靠聲子的傳動來傳遞熱量,因此復合材料導熱率的變化與經典振動和彈性力學中的彈性系數和模量非常相似。材料本身的熱導率越高,熱彈性系數和聲子傳遞效率越高,可以將材料熱導率的提高視為高導熱填料對聚合物基體的復合增強作用。

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氮化硼擁有類似石墨的片層結構的晶體,因此可以像石墨獲得單層石墨烯一樣獲得單層氮化硼或者是少層的氮化硼納米片(BNNSs),單獨的h-BN基面可以等效為單層的石墨烯,在h-BN片層中,N原子和B原子通過強共價鍵連接,這點與石墨烯相似,與之不同的是這種共價鍵中還包含一些類似于離子鍵的性質。

在實際的應用中,h-BN的結構往往是存在著缺陷的,這些缺陷會嚴重影響到聲子的傳播。研究表明h-BN與石墨烯類似,薄而寬的結構往往晶格缺陷較少,所以這種的氮化硼的本征導熱率高,相反厚而窄結構的本征導熱率會低。另一方面,聲子在界面處會發生散射,這種散射的存在導致了聲子的傳播被極大地阻礙。因此要想發揮h-BN的高導熱性能,首先要獲得片層薄且大的納米氮化硼片。

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