中國(guó)粉體網(wǎng)訊  隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電子產(chǎn)品正高速向集成化、大功率化方向發(fā)展，然而這類產(chǎn)品在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，導(dǎo)致熱量集聚，進(jìn)而引發(fā)設(shè)備老化等問(wèn)題，因此，為保障電子設(shè)備正常高效工作，需要能將積累的能量快速散出的高導(dǎo)熱性能的材料。

高分子聚合物材料具有易加工成型、低密度、耐腐蝕、耐熱性、低介電常數(shù)及優(yōu)異的力學(xué)性能，使其廣泛應(yīng)用到電子設(shè)備、航空航天等領(lǐng)域。其中，大部分高分子聚合物的熱導(dǎo)率都低于0.5Wm-1K-1，是熱絕緣體，其低導(dǎo)熱性能限制了其在導(dǎo)熱領(lǐng)域的應(yīng)用，因此提高高分子聚合物材料的導(dǎo)熱性能成為研究的重點(diǎn)。

導(dǎo)熱聚合物材料

本征型導(dǎo)熱聚合物材料

聚合物材料本身具有導(dǎo)熱能力被稱為本征型導(dǎo)熱聚合物材料。在加工過(guò)程中改變聚合物的鏈結(jié)構(gòu)、提高材料結(jié)晶度、改變晶型可制得本征型高導(dǎo)熱聚合物；或者制備內(nèi)部缺陷少的材料減少聲子散射；通過(guò)借用外力（電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力、拉伸應(yīng)力）改變分子鏈排列方式以此獲得特殊的物理結(jié)構(gòu)等方法提高自身導(dǎo)熱率。但是這種復(fù)合材料的制備工藝復(fù)雜且成本較大，所以限制了對(duì)本征型導(dǎo)熱聚合物材料的研究。

填充型導(dǎo)熱聚合物材料

填充型絕緣導(dǎo)熱聚合物是由高導(dǎo)熱填料與聚合物材料制備而得到的，此制備工藝簡(jiǎn)單、成本低、易于控制、并且提升效率明顯。常用的導(dǎo)熱填料包括金屬（鋁、銅等）、金屬氧化物（氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅等）或者某些陶瓷材料如二氧化硅、碳化硅、氮化硅、氮化鋁、氮化硼等。

氮化硼/聚合物導(dǎo)熱復(fù)合材料

氮化硼不僅可有效提高聚合物基體的導(dǎo)熱性，同時(shí)還能保持材料的電絕緣性，所以是制備填充型高導(dǎo)熱、絕緣復(fù)合材料的首選。

氮化硼(BN)包含六種晶型，常見(jiàn)的BN有立方氮化硼(c-BN)和六方氮化硼(h-BN)。c-BN與金剛石類似，一般用于制造切割工具。h-BN具有類似石墨的層狀結(jié)構(gòu)，具有出色的力學(xué)性能，其面內(nèi)機(jī)械強(qiáng)度可以達(dá)500N/m。h-BN還具有出色的耐高溫性能，在空氣中抗氧化溫度為900℃，在真空條件下更是可以達(dá)到2000℃。同時(shí)h-BN還具有超高的熱導(dǎo)率和優(yōu)良的絕緣性能。

BN按形態(tài)可分為塊狀BN(h-BNs)、片狀BN和管狀BN，可通過(guò)合適的方法可將塊狀BN進(jìn)行剝離得到片狀BN。研究顯示，可將氮化硼納米管(BNNTs)分為單壁和多壁這兩種結(jié)構(gòu)。對(duì)于單壁氮化硼納米管，可將其看作由h-BN單層平面卷曲而成，在h-BN平面中，B，N原子以SP2雜化，從而形成類似石墨的六角網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。而多壁氮化硼納米管可看作由同軸單壁納米管所形成。

氮化硼的形態(tài)對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響

填料/聚合物復(fù)合材料的性質(zhì)依賴于填料的性質(zhì)，如填料的大小、形狀和在聚合物基體中的分散狀態(tài)都會(huì)影響聚合物的導(dǎo)熱性能。通常大粒徑填料可以明顯提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，這是因?yàn)榱Ｗ娱g界面接觸少、熱阻較��；粒徑也不能過(guò)大，否則填料與基體之間的空隙大，不利于導(dǎo)熱通路的形成；小粒徑填料易被基體包覆，導(dǎo)熱粒子難以相互接觸，從而導(dǎo)致復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)較低。

Wang等分別選用尺寸范圍為5~8μm，15~20μm和25~30μm的BN顆粒制備了環(huán)氧復(fù)合材料。當(dāng)填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.103，1.234，1.476W/(m·K)。

YaN等的研究表明環(huán)氧/BNNT-BNNSs復(fù)合材料的導(dǎo)熱性較純環(huán)氧得到提高，原因是BNNT-BNNSs填料產(chǎn)生有效的BNNT-BNNSs網(wǎng)絡(luò)，其顯著增加熱流區(qū)域并促進(jìn)聲子在環(huán)氧BNNT-BNNSs復(fù)合材料中的擴(kuò)散。而且，在環(huán)氧基體重只要加入少量的BNNT就可以極大的促進(jìn)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成并且促進(jìn)導(dǎo)熱性的增強(qiáng)。

氮化硼表面改性對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響

由于BN化學(xué)穩(wěn)定性很好，不容易形成化學(xué)鍵，而且容易團(tuán)聚，所以BN與基質(zhì)材料的親和力差，因此需要對(duì)其表面改性以增強(qiáng)與基體的親和力并改善其在基體中的分散性。研究表明，BN表面功能化有助于降低BN的聚集和增強(qiáng)復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。BN的表面功能化顯著增強(qiáng)了聚合物基體與BN的界面相互作用。硅烷偶聯(lián)劑是最常用的BN界面改性劑。

Kim等研究聚硅氮烷(PSZ)改性BN對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)熱性能的影響，由于填料粒子表面極性官能團(tuán)Si-O鍵的雙偶極作用形成的氫鍵增強(qiáng)了BN與基體的界面粘結(jié)性能，故在300℃及N2環(huán)境下熱解；當(dāng)填料含量為70%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，復(fù)合材料熱導(dǎo)率增至3.521W/(m·K)，比未改性BN/環(huán)氧復(fù)合材料的熱導(dǎo)率增加了1.35倍。

BN的取向結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響

h-BN具有顯著的各向異性，其面內(nèi)熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于面外熱導(dǎo)率，且BN通常在聚合物基體中隨機(jī)分散，材料在熱流方向上未能形成導(dǎo)熱傳輸網(wǎng)絡(luò)，因此熱阻較大，進(jìn)而材料的傳熱性不能滿足電子產(chǎn)品散熱的要求。對(duì)聚合物基體中的h-BN進(jìn)行取向排列，充分利用h-BN的面內(nèi)導(dǎo)熱特性，可以提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。常用的取向方法有刮刀法、磁場(chǎng)校準(zhǔn)、振蕩剪切、電磁響應(yīng)及冰模板法。

Yu等采用刮刀切片的方法制備氮化硼/環(huán)氧復(fù)合材料，使h-BN微片在復(fù)合材料中垂直排列成密集堆積結(jié)構(gòu)，最終獲得平面熱導(dǎo)率高達(dá)9W/(m·K)的復(fù)合材料。Zhan等采用磁響應(yīng)的方法使得導(dǎo)熱填料h-BN在聚亞芳基醚腈（PEN）基體中取向排列。當(dāng)填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，復(fù)合材料熱導(dǎo)率達(dá)到0.662W/(m·K)，比純PEN增加了140%。

雜化填料對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響

由于單一的導(dǎo)熱填料對(duì)提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率有限，通過(guò)添加一種高導(dǎo)熱填料來(lái)提高聚合物熱導(dǎo)率的常用方法通常不能達(dá)到預(yù)期的效果，通常是針對(duì)一些需要電絕緣性能的復(fù)合材料。目前很多研究人員將不同種類的顆粒進(jìn)行共混進(jìn)而來(lái)提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。采用含有不同粒徑和不同形狀的填料的協(xié)同效應(yīng)是增強(qiáng)復(fù)合材料導(dǎo)熱性的常用方法。

Li等采用了一部分Al2O3替代了BN來(lái)制備PHB/BN/Al2O3復(fù)合材料，與只添加BN的PHB/BN復(fù)合材料相比，PHB/BN/Al2O3復(fù)合材料的熱導(dǎo)率顯著提高。當(dāng)一部分BN被Al2O3代替后，BN傾向于沿著Al2O3的表面團(tuán)聚以及排列，該團(tuán)聚體可以通過(guò)增加填料之間的接觸面積，形成更有效的熱傳導(dǎo)路徑。因而B(niǎo)N/Al2O3雜化填料為提高PHB復(fù)合材料熱導(dǎo)率提供了一種有效方法，可以在填料含量較低的情況下，同時(shí)保持熱導(dǎo)率。

結(jié)語(yǔ)

氮化硼具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性和絕緣性，有利于氮化硼/聚合物導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備，可應(yīng)用于電子產(chǎn)品的封裝技術(shù)中，確保電器設(shè)備安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。但BN表面改性困難、剝離效率低、取向排列困難等都限制了其應(yīng)用，因此需要對(duì)BN進(jìn)一步研究使得導(dǎo)熱復(fù)合材料的性能得到提高。

參考資料：

杜言莉、王歡等.氮化硼及其在導(dǎo)熱復(fù)合材料中的研究進(jìn)展

雷華.氮化硼/環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備與性能研究

林正德、嚴(yán)慶偉等.六方氮化硼導(dǎo)熱復(fù)合材料研究進(jìn)展

孫娜.氮化硼填充導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料的制備與性能研究

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