一種可按需制備用于熱管理的氮化硼納米片

背景介紹

由六方氮化硼(h-BN)制備的氮化硼納米片(BNNSs)由于其優(yōu)異的性能，包括大的徑厚比(高達(dá)1500)，超高的導(dǎo)熱系數(shù)(高達(dá)751 W/mK)，高溫穩(wěn)定性，以及令人印象深刻的性能而引起了人們的極大興趣力學(xué)性能。此外，它們還具有優(yōu)異的電絕緣性，由于這些有利的特性，基于BNNs的納米復(fù)合材料在熱管理應(yīng)用中顯示出相當(dāng)大的前景。

在BNNSs的生產(chǎn)方面已經(jīng)付出了相當(dāng)大的努力，特別是在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模和高效的合成方法方面。其中一種方法是超聲輔助液相剝離，這是獲得無(wú)缺陷高質(zhì)量BNNSs的一種簡(jiǎn)單可行的方法。然而，這種技術(shù)通常存在產(chǎn)率低(<20%)和橫向尺寸可控性有限的問(wèn)題，其效率嚴(yán)重依賴(lài)于h-BN塊體的性質(zhì)。相比之下，球磨法的成品率較高(>80%)；然而，它需要添加大量的化學(xué)添加劑，如尿素、糖或氫氧化鈉，導(dǎo)致不可避免的BNNSs功能化。此外，長(zhǎng)時(shí)間的高能撞擊導(dǎo)致BNNSs具有較小的橫向尺寸(只有幾百納米)或缺陷。

微流化方法已被證明對(duì)石墨烯和BNNSs等二維材料的剝離是有效的，因?yàn)樗昧烁咚倭黧w流動(dòng)產(chǎn)生的剪切效應(yīng)。與其他機(jī)械剝離方法相比，這種各向異性方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它能夠均勻地施加高強(qiáng)度剪切力作用于整個(gè)流體體積，使大型BNNSs能夠成功剝離。盡管具有這一優(yōu)勢(shì)，但由于效率和橫向尺寸之間的權(quán)衡，利用微流化方法從大塊h-BN中高效和按需制備BNNSs仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

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成果掠影

近日，上海交通大學(xué)黃興溢團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種OdP方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高效、大規(guī)模、尺寸可控的BNNSs制備。本文提出了一種高壓均質(zhì)與短時(shí)間超聲相結(jié)合的按需制備（OdP）方法;它使六方氮化硼(h-BN)高效可控地制備BNNSs成為可能。調(diào)整均勻化壓力和循環(huán)次數(shù)，BNNSs的生產(chǎn)效率和產(chǎn)率分別達(dá)到0.95 g/gh和82.8%，顯著高于現(xiàn)有方法。OdP方法的通用性在不同生產(chǎn)商的不同體積尺寸的氫氮化硼原料上得到了證明。此外，該方法允許根據(jù)最終要求制備具有特定尺寸的BNNSs。模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，大尺寸的BNNSs特別適合于提高介電聚合物納米復(fù)合材料的導(dǎo)熱性和電絕緣性能。有趣的是，通過(guò)OdP方法制備的小的bnns填充光子納米復(fù)合膜具有優(yōu)越的日間輻射冷卻性能。此外，OdP方法還具有低能耗、減少溫室氣體排放和化石能源使用的優(yōu)點(diǎn)。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了OdP方法在高效可控制備大型BNNSs方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。研究成果以“On-Demand Preparation of Boron Nitride Nanosheets for Functional Nanocomposites”為題發(fā)表在《Small Methods》。

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圖文導(dǎo)讀

圖2.利用OdP得到了a)在40次循環(huán)下不同均質(zhì)壓力下，b)在180 MPa下不同循環(huán)次數(shù)下，c)在75 MPa下不同循環(huán)次數(shù)下，BNNSs的產(chǎn)率和橫向尺寸。d、e) 180 MPa/20次循環(huán)和g、h) 75 MPa/15次循環(huán)下，脫落的BNNSs的SEM圖像及其橫向尺寸分布直方圖。f) OdP方法與其他已報(bào)道的剝離方法的生產(chǎn)率和生產(chǎn)效率的比較。i)與其他已報(bào)道的剝落方法相比，OdP方法的BNNSs橫向大小和生產(chǎn)效率。

圖3.  a) BN003(原始h-BN)和b,c) BN003在不同均質(zhì)條件下剝離的BNNSs的SEM圖像。d) BN012(原始h-BN)和e,f) BN012在不同均質(zhì)條件下剝離的BNNSs的SEM圖像。g)產(chǎn)率和h)不同均質(zhì)條件下BN003、BN012和BN-HSL剝離的BNNSs的橫向大小。

圖4. 透射電子顯微鏡(TEM)圖像a)、原子力顯微鏡(AFM)圖像b)和BNNS-S的厚度分布直方圖c)。BNNS-L的TEM圖像d)、AFM圖像e)和厚度分布直方圖f)。塊體h-BN、EBN和BNNSs的傅里葉變換紅外光譜g)和x射線(xiàn)衍射圖。(h) BNNSs的x射線(xiàn)光電子能譜。

圖5.模擬了不同橫向尺寸的BNNSs納米復(fù)合紙的a)溫度和b)熱流密度分布。BNNSs沿一個(gè)方向排列。c) BNNS-L-50紙張的光學(xué)照片和d)折疊紙張制成的“帆船”。e,f) BNNS-L-50論文截面的SEM圖像。g) BNNS-S/PBO紙與BNNS-L/PBO紙的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)比較。h) BNNS-L-50紙及其他氮化硼基復(fù)合材料的極限強(qiáng)度和面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)。i) BNNS-L-50和BNNS-S-50在不同溫度下的擊穿強(qiáng)度。

圖6.a) BNNS-S和BNNS-L納米復(fù)合膜的太陽(yáng)光譜反射率(左)和中紅外光譜發(fā)射率(右)。b)測(cè)試裝置的原理圖(上)和光學(xué)照片(下)，用于演示兩種納米復(fù)合薄膜的日間輻射冷卻能力。c) BNNS-S和BNNS-L納米復(fù)合膜在一天內(nèi)的溫度。d)白天BNNS-S納米復(fù)合膜相對(duì)于BNNS-L納米復(fù)合膜的溫度變化。