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球形的氮化硼凝聚粒子讓聚合物絕緣導(dǎo)熱能力一級棒~

信息來源:本站 | 發(fā)布日期: 2023-10-06 10:35:40 | 瀏覽量:417186

摘要:

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,過熱會降低電子電氣設(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,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,還能簡化組裝…

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,過熱會降低電子電氣設(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,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。

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高導(dǎo)熱材料的發(fā)展趨勢



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絕緣性能要求高的場合。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機(jī)顆粒。目前,包括氧化鋁、氧化鎂、氮化鋁、氮化硼等無機(jī)顆粒已被廣泛應(yīng)用于高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料。

圖片氮化硼導(dǎo)熱膏(3D打印行業(yè)用)


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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)率實驗值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。

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圖片

高縱橫比、鱗片狀六方氮化硼

球形的氮化硼凝集粒子

來源:SPAETER Group

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球形的氮化硼凝集粒子的好處:高填充及各向同性

不過,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)注它的工藝過程。在聚合物基復(fù)合材料的制備過程中,添加極少量的片狀氮化硼就會導(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對聚合物復(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,無法高效的提高樹脂片材的厚度方向的導(dǎo)熱性。

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熱傳導(dǎo)方向示意圖(參考來源: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~

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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,如下一起來看看。


0

1

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。

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幾種導(dǎo)熱填料的典型電氣特性(參考來源3M)



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2

低密度


氮化硼的密度較低,對于等效導(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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3

低硬度、潤滑


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,光滑無摩擦,可大大降低對注塑成型、擠壓設(shè)備的磨損,有效提升設(shè)備的使用壽命。

不過在使用團(tuán)聚態(tài)氮化硼的時候,不同的加工條件會對團(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。如果在樹脂混煉過程中有過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,混合速度和混合時間不同,也會帶來不同的導(dǎo)熱性能差異。如果缺乏加工條件對氮化硼形態(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也是一個非常值得探討的話題。

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