球形的氮化硼凝聚粒子讓聚合物絕緣導(dǎo)熱能力一級(jí)棒~

隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)品向小型化、多功能化和高性能化的快速發(fā)展，過(guò)熱會(huì)降低電子電氣設(shè)備的性能、壽命和可靠性，如何高效散熱成為了急切的課題。聚合物由于其電絕緣性高、重量輕和易于加工等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛用作電氣設(shè)備的電子封裝材料，不僅減少部件的尺寸和重量，還能簡(jiǎn)化組裝。然而，聚合物本身大多為熱的不良導(dǎo)體(熱導(dǎo)率在0.1~0.5W/mK之間)[例如高頻覆銅板用樹脂聚四氟乙烯的熱導(dǎo)率約為0.20~0.24W/(m.K)]，引入高導(dǎo)熱填料制備聚合物基復(fù)合材料是目前廣泛認(rèn)同的提高材料整體導(dǎo)熱性能的可行方法，常見(jiàn)的導(dǎo)熱填料有金屬、金屬氧化物和氮化物以及碳系導(dǎo)熱填料等。

高導(dǎo)熱材料的發(fā)展趨勢(shì)

金屬顆粒、碳系材料雖然具有很高的本征熱導(dǎo)率而被廣泛應(yīng)用，但這類填料在改變導(dǎo)熱性能的同時(shí)也改變了聚合物的電氣絕緣性能，如導(dǎo)致聚合物極高的電導(dǎo)率、較高的介電常數(shù)，因此這類材料并不適合對(duì)絕緣性能要求高的場(chǎng)合。因此，絕緣領(lǐng)域更多關(guān)注的是具有極高本征熱導(dǎo)率且絕緣性能良好的無(wú)機(jī)顆粒。目前，包括氧化鋁、氧化鎂、氮化鋁、氮化硼等無(wú)機(jī)顆粒已被廣泛應(yīng)用于高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料。

氮化硼導(dǎo)熱膏（3D打印行業(yè)用）

h-BN特性：

通常，六方氮化硼（h-BN）的結(jié)晶結(jié)構(gòu)為和石墨同樣的層狀結(jié)構(gòu)，其粒子形狀為鱗片狀（相關(guān)閱讀：白石墨六方氮化硼與石墨結(jié)構(gòu)相似，為啥h-BN不導(dǎo)電？），具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能（面內(nèi)熱導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)值220–420W/mK，理論值可達(dá)550W/mK），擁有優(yōu)異的電氣特性（低介電常數(shù)--在寬頻范圍內(nèi)約為4.0，低介電損耗角正切3 × 10^–4，絕緣性好-帶隙寬度為5.2-5.8eV），被認(rèn)為是目前為止最理想的絕緣導(dǎo)熱填料。

來(lái)源：SPAETER Group

球形的氮化硼凝集粒子的好處：高填充及各向同性

不過(guò)，想要得到高熱導(dǎo)率的聚合物基導(dǎo)熱材料，只看填料的本征導(dǎo)熱率是不行的，我們還需要關(guān)注它的工藝過(guò)程。在聚合物基復(fù)合材料的制備過(guò)程中，添加極少量的片狀氮化硼就會(huì)導(dǎo)致體系的粘度急劇增加，想要添加高于20％的體積含量是非常困難的，而球形的氮化硼凝集粒子可以降低填料添加時(shí)對(duì)聚合物復(fù)合材料體系粘度的影響。

此外，鱗片狀的六方氮化硼具有各向異性的熱傳導(dǎo)特性，在面內(nèi)方向具有高導(dǎo)熱率(220–420W/mK)，但在厚度方向?qū)崧?2-40W/m K)，另外，如果將鱗片狀粒子填充到樹脂中形成片材，h-BN粒子在填充樹脂中容易在片材內(nèi)沿面方向取向，無(wú)法高效的提高樹脂片材的厚度方向的導(dǎo)熱性。

熱傳導(dǎo)方向示意圖（參考來(lái)源：Saint-Gobain）

為了改善鱗片狀的BN粒子的導(dǎo)熱的各向異性，通過(guò)噴霧干燥等造粒的h-BN粒子（可制備球形的氮化硼凝聚粒子）、燒結(jié)h-BN并粉碎燒結(jié)體而制造的h-BN粒子等方式，來(lái)讓鱗片狀的BN顆粒保持隨機(jī)取向，從而使材料具有各向同性的熱導(dǎo)率。

當(dāng)然，盡管球形氮化硼在提升聚合導(dǎo)熱率表現(xiàn)很好，但實(shí)際應(yīng)用是“多種填料混搭”更為顯著的提升聚合物的導(dǎo)熱散熱能力，例如氧化鋁搭配球形氮化硼，片狀氮化硼搭配球形氮化硼，大顆粒的球形氮化硼搭配小顆粒的球形氮化硼~

片狀和球形氮化硼顆粒的組合可以顯著提高聚合物導(dǎo)熱性

除了優(yōu)秀的絕緣導(dǎo)熱能力外，六方氮化硼的其他特質(zhì)也是非常值得我們關(guān)注的，如下一起來(lái)看看。

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低介電常數(shù)

氮化硼在寬頻率和溫度范圍內(nèi)保持恒定的損耗因數(shù)，有助于實(shí)現(xiàn)高頻數(shù)據(jù)傳輸，將氮化硼作為填料添加到高頻樹脂材料中，可以制備出滿足高頻數(shù)據(jù)傳輸需求的高導(dǎo)熱聚合物。

幾種導(dǎo)熱填料的典型電氣特性（參考來(lái)源3M）

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低密度

氮化硼的密度較低，對(duì)于等效導(dǎo)熱水平，與礦物或氧化物基填料相比，氮化硼的重量百分比要低得多。例如，一個(gè)Al2O3-PA66化合物（2.3 kg/L），BN-PA66化合物（1.4 kg/L），前者比后者重1.6倍。較低密度的氮化硼填料可以有效減少部件重量。

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低硬度、潤(rùn)滑

hBN莫氏硬度低，具有類似石墨的片狀形狀，素有白色石墨之稱，光滑無(wú)摩擦，可大大降低對(duì)注塑成型、擠壓設(shè)備的磨損，有效提升設(shè)備的使用壽命。

不過(guò)在使用團(tuán)聚態(tài)氮化硼的時(shí)候，不同的加工條件會(huì)對(duì)團(tuán)聚態(tài)氮化硼形貌產(chǎn)生很大的影響，進(jìn)而影響到最終的界面材料的熱導(dǎo)率。如果在樹脂混煉過(guò)程中有過(guò)高的剪切力存在的話，可能打碎一部分團(tuán)聚態(tài)的球形結(jié)構(gòu)；即便是同一配方，混合速度和混合時(shí)間不同，也會(huì)帶來(lái)不同的導(dǎo)熱性能差異。如果缺乏加工條件對(duì)氮化硼形態(tài)影響的理解，用戶很難獲得具備最佳熱性能和流變性能的復(fù)合材料。

一般的工藝條件所制備的凝聚態(tài)球形BN結(jié)合力非常弱，球形結(jié)構(gòu)在聚合物復(fù)合材料的混合過(guò)程中容易被破壞，因此如何制備穩(wěn)定“耐蹂躪”的的球形BN也是一個(gè)非常值得探討的話題。