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氮化硼為何能成為制備導(dǎo)熱復(fù)合材料的寵兒？

信息來源：本站 | 發(fā)布日期： 2023-12-20 08:14:33 | 瀏覽量：361217

摘要：

氮化硼問世于100多年前，是一種人工合成的化合物，由等量的硼（B）原子和氮（N）原子構(gòu)成。B和N的電負(fù)性相差較大，在層內(nèi)存在較強(qiáng)的共價(jià)鍵，每層的原子被上層和下層的原子所重疊，各層之間存在較弱的范德華力。氮化硼主要有類金剛石晶型立方氮化硼（c-BN）、類石墨晶型六…

氮化硼問世于100多年前，是一種人工合成的化合物，由等量的硼（B）原子和氮（N）原子構(gòu)成。B和N的電負(fù)性相差較大，在層內(nèi)存在較強(qiáng)的共價(jià)鍵，每層的原子被上層和下層的原子所重疊，各層之間存在較弱的范德華力。

氮化硼主要有類金剛石晶型立方氮化硼（c-BN）、類石墨晶型六方氮化硼（h-BN）、斜方晶型氮化硼（r-BN）和纖鋅礦晶型氮化硼（w-BN）4種晶型。其中，立方氮化硼和六方氮化硼是比較常見的晶型。

立方氮化硼通常為黑色、棕色或暗紅色閃鋅礦結(jié)構(gòu)晶體，雜化方式為sp3雜化，其硬度僅次于金剛石，是一種超硬材料，且具耐磨損、抗腐蝕，具有良好的導(dǎo)熱性。

六方氮化硼是以sp2雜化方式連接的二維原子晶體，與石墨結(jié)構(gòu)相似，由B原子和N原子交替排列組成的無限延伸的六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，是陶瓷材料中導(dǎo)熱性能最好的填料之一。


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石墨烯和六方氮化硼的晶體結(jié)構(gòu)示意圖


相比于一些導(dǎo)熱系數(shù)較低的氧化物(Al2O3、SiO2)，非氧化物類陶瓷填料自身具有較強(qiáng)的原子鍵，能夠有效減弱因晶格缺陷引起的聲子散射現(xiàn)象，從而具有較強(qiáng)的導(dǎo)熱性能。氮化硼具有帶隙寬、導(dǎo)熱性好、熱穩(wěn)定性高、膨脹系數(shù)低、介電性能優(yōu)異、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)。


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制備導(dǎo)熱復(fù)合材料的超級(jí)選手


制備高導(dǎo)熱復(fù)合材料的關(guān)鍵是如何在聚合物基體中形成理想的取向結(jié)構(gòu)。通常需要填料微粒具有非球形結(jié)構(gòu)特征（如片狀、管狀或棒狀等），并對(duì)其施加一定外力場作用，如電場、磁場或機(jī)械剪切作用等，填料微粒經(jīng)定向有序排列后能夠?qū)崿F(xiàn)熱量沿取向方向快速傳導(dǎo)。氮化硼作為典型的二維片狀材料，在制備高導(dǎo)熱絕緣聚合物基復(fù)合材料研究中受到很多關(guān)注。

氮化硼的二維片層結(jié)構(gòu)使其具有各向異性，面內(nèi)和面間的導(dǎo)熱系數(shù)差異很大，采用特定的方法促使氮化硼在某一方向取向可以提供更有效的傳熱通道，進(jìn)而提高材料的導(dǎo)熱系數(shù)。一些排布技術(shù)，如自組裝、模板成型、注射模塑、刮刀成形、靜電紡絲、真空輔助組裝、外場（電場或磁場）誘導(dǎo)取向等都可以獲得氮化硼有取向結(jié)構(gòu)的聚合物復(fù)合材料。含有氮化硼取向結(jié)構(gòu)的填充聚合物在取向方向上導(dǎo)熱性能明顯得到提高。

日本迪睿合株式會(huì)社已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)兼具高導(dǎo)熱性和柔軟性的硅膠型導(dǎo)熱片“ZX11Ｎ”，該產(chǎn)品采用一種獨(dú)特取向技術(shù)，根據(jù)取向?qū)⒕哂胁煌瑢?dǎo)熱系數(shù)的氮化硼填料對(duì)齊排列，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)熱片的高導(dǎo)熱性，導(dǎo)熱系數(shù)為11Ｗ/(ｍ·Ｋ)，具有硅樹脂基材和氮化硼填料的絕緣性能。


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不同填料含量復(fù)合材料的導(dǎo)熱路徑


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復(fù)合填料搭配，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱1+1>2


與單一填料相比，在二維BN體系中引入不同維度的填料，與BN之間通過點(diǎn)?面“包覆”，線?面“橋接”以及面?面“相連”的方式混合，更有利于材料內(nèi)部導(dǎo)熱通路的構(gòu)建，熱量沿著填料之間快速傳遞，從而使復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能更加優(yōu)異。

1）不同尺寸填料

不同尺寸填料間的協(xié)同作用可以使導(dǎo)熱通路的穩(wěn)定性增強(qiáng)，故可以有效增強(qiáng)復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。

微米級(jí)和納米級(jí)的BN顆粒作為導(dǎo)熱填料，在復(fù)合材料內(nèi)部建立了有效的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，其中微米級(jí)的BN顆粒在復(fù)合材料中形成了主要的熱傳導(dǎo)路徑，納米級(jí)BN顆粒在微米級(jí)BN顆粒之間起到連接作用，增加了導(dǎo)熱通路，故而復(fù)合材料獲得了高熱導(dǎo)率。


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氮化硼的掃描電鏡圖像：ａ微米級(jí)、ｂ納米級(jí)


2）多種維度填料混合

不同填料之間的協(xié)同作用能夠有效提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。

（a）對(duì)于單一的氮化硼填料而言，其相同的結(jié)構(gòu)和尺寸會(huì)在聚合物基體內(nèi)部形成大量空隙，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)極低，從而影響導(dǎo)熱性能的提升。若將BN與其他維度的填料復(fù)合，利用多種填料之間的協(xié)同作用來提升導(dǎo)熱填料在聚合物基體中的填充密度，不僅有利于導(dǎo)熱路徑的形成，而且還能對(duì)復(fù)合材料綜合性能的提升起到良好的促進(jìn)作用。

（b）二維BN與零維填料的復(fù)合如碳化硅(SiC)、氧化鋁(Al2O3)等，可以提高填料的整體填充率，有利于導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成。片層結(jié)構(gòu)的氮化硼的成本高于球形Al2O3，與Al2O3雜化復(fù)合可以提高導(dǎo)熱性能的同時(shí)，還可降低氮化硼填充聚合物復(fù)合材料的成本。

（c）一維填料具有管狀或者線狀的結(jié)構(gòu)，如碳納米管(CNT)、納米線等。與二維BN復(fù)合時(shí)，能夠在導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建中起到“橋梁”的作用，將相鄰的BN連接起來，這種協(xié)同作用不僅能降低復(fù)合材料中的界面熱阻，而且對(duì)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建十分有利。

（d）二維BN與二維填料復(fù)合的研究則主要以氧化石墨烯(graphene oxide，GO)居多，因?yàn)镚O不僅能與BN表面發(fā)生較強(qiáng)的界面相互作用，使得復(fù)合填料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而且GO與BN具有匹配較好的聲子譜，界面處產(chǎn)生的聲子散射較弱，界面熱阻較低，更有利于導(dǎo)熱性能的提升。

表：BN基多元填料填充導(dǎo)熱復(fù)合材料的研究成果

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從表中的研究成果可知，復(fù)合填料的協(xié)同作用能夠顯著改善材料的導(dǎo)熱性能，可以滿足現(xiàn)階段電力電子領(lǐng)域?qū)Σ牧蠈?dǎo)熱性能的要求。


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終端應(yīng)用場景豐富


氮化硼是一種高效的導(dǎo)熱填料，具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能、絕緣性能和化學(xué)穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于高溫、高壓、高速、高精度的導(dǎo)熱領(lǐng)域，例如電子器件、航空航天、新能源汽車、化學(xué)設(shè)備等高散熱需求行業(yè)。

在電子器件領(lǐng)域，可以用作導(dǎo)熱板、導(dǎo)熱膏、導(dǎo)熱凝膠、散熱器等材料，有效降低電子器件的溫度，可以應(yīng)用在智能手機(jī)、智能手表、筆記本電腦、無人機(jī)等消費(fèi)類智能設(shè)備終端，穩(wěn)定其性能，提高使用壽命。

在航空航天領(lǐng)域，可以用于制造高溫結(jié)構(gòu)材料、導(dǎo)熱材料、熱障涂層等，應(yīng)用在衛(wèi)星、探測器、空間站等，提高航空航天器的性能和安全性。


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圖片源自pixabay


在新能源汽車領(lǐng)域，可以滿足電機(jī)、電控、電池等汽車系統(tǒng)的散熱需求，提高汽車的性能和經(jīng)濟(jì)性。

在化工設(shè)備領(lǐng)域，可以制造高溫反應(yīng)器、催化劑、傳熱設(shè)備，提高化工設(shè)備的效率和安全性。


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小結(jié)


隨著電氣系統(tǒng)和電子器件性能的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的聚合物材料已不能滿足熱管理領(lǐng)域的高要求，結(jié)合聚合物的優(yōu)點(diǎn)和填料的高導(dǎo)熱性的復(fù)合材料被認(rèn)為是理想的散熱解決方案。整體來看，聚合物基氮化硼復(fù)合導(dǎo)熱材料的制備越來趨于成熟，發(fā)展也越來越多元化，但是制備的高成本和低產(chǎn)量限制了其快速應(yīng)用發(fā)展。未來，實(shí)現(xiàn)氮化硼類導(dǎo)熱材料實(shí)際大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用才是研究的重點(diǎn)。

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