導(dǎo)熱材料“隱形冠軍”：氮化硼如何有效提高復(fù)合材料導(dǎo)熱性能

氮化硼（BN）是由同等數(shù)量的氮（N）和硼（B）原子組成，晶體結(jié)構(gòu)與碳體系十分相似。現(xiàn)有六方氮化硼（h-BN）、立方氮化硼（c-BN）、菱方氮化硼（r-BN）及纖鋅礦型氮化硼（w-BN）4種不同結(jié)構(gòu)的晶型。

氮化硼晶體結(jié)構(gòu)

其中h-BN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)。對h-BN進(jìn)行剝離、沉積，可以得到氮化硼納米片（BNNSs）、氮化硼納米顆粒（BNNPs）、氮化硼納米管（BNNTs）、氮化硼納米纖維（BNNFs）等適用于不同實際應(yīng)用需求的BN納米材料。

h-BN具有高導(dǎo)熱性、極佳的絕緣性、熱穩(wěn)定性和低熱膨脹系數(shù)等眾多特性，在導(dǎo)熱材料的研究方面?zhèn)涫荜P(guān)注。

01

氮化硼：絕佳的導(dǎo)熱填料

當(dāng)前，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)品在使用過程中會產(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。

填充型導(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，此制備工藝簡單、成本低、易于控制。引入具有高導(dǎo)熱系數(shù)的氮化硼納米材料作為導(dǎo)熱填料，不僅可有效提高聚合物基體的導(dǎo)熱性，同時還能保持材料的電絕緣性，因此其成為制備填充型高導(dǎo)熱、絕緣復(fù)合材料的首要選擇。

02

構(gòu)建三維網(wǎng)絡(luò)提高導(dǎo)熱性能

利用構(gòu)建三維網(wǎng)絡(luò)來增強(qiáng)氮化硼/聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能有效地減少h-BN和聚合物之間的界面數(shù)量，降低聲子散射，同時可以制造導(dǎo)熱通路，使得熱量能夠有效地傳輸，也使得h-BN的用量減少，減少了力學(xué)性能的損傷。因此，對于三維結(jié)構(gòu)復(fù)合導(dǎo)熱材料的研究和開發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)前的熱點和重點。當(dāng)前常見的三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法主要有模板法、自組裝法、熱壓法和3D打印法等。

模板法

模板法在構(gòu)建復(fù)合材料的三維結(jié)構(gòu)方面應(yīng)用廣泛。就h-BN/聚合物復(fù)合材料而言，其構(gòu)建過程中主要采用的模板法包括冰模板法、泡沫模板法以及犧牲模板法。模板法的優(yōu)勢主要在于可以精確調(diào)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，適用于多種填料和基體且操作簡單易行。

冰模板法是一種主要利用懸浮液并通過調(diào)節(jié)冰晶的成核和生長來控制三維網(wǎng)絡(luò)形貌的加工技術(shù)，與簡單共混制備的復(fù)合材料相比，基于冰模板法制備的三維網(wǎng)絡(luò)復(fù)合材料的熱導(dǎo)率要高得多；泡沫模板法一般以泡沫為簡單模板，以高導(dǎo)熱填料為主體，利用浸漬技術(shù)將液態(tài)聚合物浸漬到預(yù)制負(fù)壓形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，通過機(jī)械壓縮對導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行致密化和定向化；犧牲模板法主要指的是去除初始模板制備三維互連導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，已有大量研究工作利用鹽和水溶性糖作為犧牲模板來制備導(dǎo)熱復(fù)合材料的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

泡沫模板法制備示意圖

自組裝法

自組裝法是指基本結(jié)構(gòu)單元(分子、納米材料、微米或更大尺度的物質(zhì))自發(fā)形成有序結(jié)構(gòu)的一種技術(shù)。在自組裝的過程中，基本結(jié)構(gòu)單元在基于非共價鍵的相互作用下自發(fā)地組織或聚集為一個穩(wěn)定、具有一定規(guī)則幾何外觀的結(jié)構(gòu)。該方法的優(yōu)勢在于合成簡單，成本低，可以實現(xiàn)微觀尺度控制，具有良好的兼容性，能夠原位合成。

熱壓法

熱壓法就是利用加熱加壓的條件來構(gòu)建3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的定向排列，可以有效地提高導(dǎo)熱性以及機(jī)械強(qiáng)度，一般通過機(jī)械力干擾來完成該過程。該方法的優(yōu)勢在于熱壓過程的參數(shù)可調(diào)控性較強(qiáng)，可以實現(xiàn)取向控制，適用于多種材料體系且熱壓可以強(qiáng)化材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3D打印

3D打印技術(shù)是一種無模直寫成型技術(shù)。具體優(yōu)點包括快速原型制作、設(shè)計自由度高、浪費(fèi)少、成本低、速度快等，而且3D打印過程中發(fā)生的熔融擠出和剪切流動使BNNSs在聚合物基體中高度取向，表現(xiàn)出比熱成型樣品更好的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)熱增強(qiáng)效果。也正因如此，使用3D打印法來構(gòu)建氮化硼/聚合物復(fù)合材料的三維網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于科研實驗室和制造業(yè)工廠。

BN漿料垂直擠出的3D打印法示意圖

03

復(fù)合填料搭配，實現(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?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。

零維導(dǎo)熱填料。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，還可降低氮化硼填充聚合物復(fù)合材料的成本。

一維導(dǎo)熱填料。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，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，而且對導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建十分有利。

多元導(dǎo)熱填料。h-BN與多種導(dǎo)熱填料進(jìn)行雜化組合，已成為近幾年制備高導(dǎo)熱復(fù)合材料的研究熱點。通過多元填料雜化高分子基體，極大豐富了高分子基復(fù)合材料內(nèi)部的導(dǎo)熱路徑，有利于聲子沿著最短路徑進(jìn)行能傳遞，提高材料的導(dǎo)熱速率。

04

終端應(yīng)用場景豐富

氮化硼作為一種高效的導(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、化工設(shè)備等高散熱需求行業(yè)。

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。

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。

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。

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。

參考來源：

[1]柯雪等：氮化硼功能化改性高分子導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備及性能研究進(jìn)展

[2]許一昊等：三維網(wǎng)絡(luò)氮化硼/聚合物導(dǎo)熱復(fù)合材料的研究進(jìn)展