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“白石墨”氮化硼:如何在低填充量下實(shí)現高熱導率?

信息來(lái)源:本站 | 發(fā)布日期: 2024-06-24 08:54:50 | 瀏覽量:20184

摘要:

六方氮化硼(h-BN)是一種具有類(lèi)似石墨結構的二維片狀材料,因其顏色為白色,有“白石墨”之稱(chēng),由于結構的相似性,h-BN有著(zhù)與石墨一樣擁有高熱導率,除此以外它還具有石墨所沒(méi)有的電絕緣性能,能夠滿(mǎn)足對絕緣和散熱均有要求的工況使用。再加上六方氮化硼優(yōu)異的熱穩定性、…

六方氮化硼(h-BN)是一種具有類(lèi)似石墨結構的二維片狀材料,因其顏色為白色,有“白石墨”之稱(chēng),由于結構的相似性,h-BN有著(zhù)與石墨一樣擁有高熱導率,除此以外它還具有石墨所沒(méi)有的電絕緣性能,能夠滿(mǎn)足對絕緣和散熱均有要求的工況使用。再加上六方氮化硼優(yōu)異的熱穩定性、化學(xué)穩定性等,是一種很有前途的電子元件導熱填料。

圖片

六方氮化硼納米片(左)、石墨烯與六方氮化硼的結構對比(右)

但受限于高性能粉體的制備生產(chǎn)以及應用技術(shù)還不夠成熟,價(jià)格往往偏高。如利用傳統的復合材料制備工藝,將h-BN隨機且不規則地分布在聚合物基體中,需要添加非常高含量的導熱填料,才能獲得高導熱系數的復合材料,不僅導致成本大幅上升,還會(huì )可能會(huì )影響復合材料本身的綜合性能。因此,如何在低填充量的情況下實(shí)現高熱導率是氮化硼導熱復合材料降本的重要一環(huán)。

除了導熱填料本身的性質(zhì),復合材料的導熱系數還受到內部的熱傳導通道影響,因此對熱傳導通道進(jìn)行人為的調控和優(yōu)化,是減少導熱填料添加量的最有效的方法之一。目前可用過(guò)自組裝三維導熱網(wǎng)絡(luò )、導熱填料取向、 混合導熱填料的填充和雙逾滲結構的構建來(lái)實(shí)現。


01
自組裝三維導熱網(wǎng)絡(luò )

自組裝三維導熱網(wǎng)絡(luò )是先利用導熱填料的自組裝來(lái)達到它的逾滲狀態(tài),進(jìn)行三維導熱網(wǎng)絡(luò )的預先構建,之后將自組裝形成的三維導熱網(wǎng)絡(luò )與聚合物基體組裝后制備得到復合材料。

與填料隨機分布的聚合物復合材料相比,連續網(wǎng)絡(luò )結構通過(guò)降低填料與聚合物之間的接觸面積,從而有效降低填料與聚合物基體之間的界面熱阻,建立更連續、更完善的導熱路徑,實(shí)現聲子的快速傳輸。

圖片

純聚合物(a)、傳統分散填料填充(b)和填充三維互連填料網(wǎng)絡(luò )(c)的復合材料的熱傳輸示意圖

目前多項研究證實(shí),具有三維連續導熱網(wǎng)絡(luò )的聚合物復合材料將表現出優(yōu)越的導熱性能,且已開(kāi)發(fā)出基于三維多孔泡沫預構筑-聚合物回填或犧牲模板、聚合物顆粒/導熱填料的干/濕法沉積-后加工工藝、聚合物纖維/織物沉積-后加工工藝、膠乳混合-鑄膜或絮凝工藝等多種在聚合物基體中構建三維互聯(lián)導熱網(wǎng)絡(luò )的構筑工藝。但是由于這種方法的制備工藝繁雜、困難,因此想要實(shí)現它的工業(yè)化生產(chǎn)還需進(jìn)一步的探索。

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導熱復合材料中的高速公路:三維互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )


02
導熱填料的取向

典型的層狀h-BN的導熱性能有明顯的各向異性——平面內熱導率為300W/mK,而垂直平面的熱導率通常僅為30W/(m.K),因此,為了充分利用h-BN的優(yōu)秀面內導熱系數,可通過(guò)調控其在復合材料中的取向,形成更有效的導熱通路。目前主要有兩種方式可以使導熱填料在復合材料內部發(fā)生取向。

圖片
不同取向六方氮化硼的傳熱模擬比較

(a)隨機分布、(b)垂直分布、(c)梯形結構分布

1、剪切力取向:將h-BN填料添加進(jìn)流動(dòng)的液態(tài)聚合物基體中,在加工過(guò)程中利用剪切力或者拉伸力(常見(jiàn)方法有注射模塑、刮刀成形、靜電紡絲等),使導熱填料在流動(dòng)方向上發(fā)生取向。這種方式的工藝簡(jiǎn)單,相對易于實(shí)施,但由于流速難以保持一直,會(huì )影響填料的取向。

2、電場(chǎng)/磁場(chǎng)輔助取向:在h-BN上涂覆敏感層,使其對外加磁場(chǎng)/電場(chǎng)產(chǎn)生響應,沿熱流方向定向分布。相比剪切力取向,場(chǎng)輔助可以實(shí)現更可控、整齊的取向,但由于需要引入外場(chǎng),成本較高。

圖片


03
混合導熱填料的填充

對于單一導熱填料而言,相同的結構和尺寸會(huì )在聚合物基體內部形成大量空隙,從而影響導熱性能的提升。因此,在制備復合材料時(shí)可以通過(guò)添加不同種類(lèi)、不同形狀和不同尺寸的導熱填料在內 部形成更多的熱傳導通道,從而在降低導熱填料添加量的情況下,也可以獲得具有優(yōu)良導熱性能的復合材料

1、不同尺寸的填料復配:

不同尺寸填料間的協(xié)同作用可以使導熱通路的穩定性增強,大粒徑的h-BN顆粒在復合材料中形成了主要的熱傳導路徑,而小粒徑的h-BN顆粒在大顆粒的h-BN顆粒之間起到連接作用,增加了導熱通路,故而復合材料獲得了高熱導率。

圖片

大小粒徑h-BN氮化硼復配

2、不同維度填料復配

將BN與其他維度的填料(如碳化硅、氧化鋁、碳納米管等)復合,利用多種填料之間的協(xié)同作用來(lái)提升導熱填料在聚合物基體中的填充密度,不僅有利于導熱路徑的形成,而且還能降低氮化硼填充聚合物復合材料的成本。

圖片

片狀h-BN搭配球形的六方氮化硼團聚體的導熱通路


04
雙逾滲結構的構建

逾滲是指當填料含量超過(guò)某一臨界值時(shí),顆粒相互接觸增多,材料的熱導率將急劇上升,這時(shí)材料從熱的不良導體轉變?yōu)闊岬牧紝w。而雙逾滲則是將導熱填料分布在多相聚合物體系中,由于填料與不同聚合物之間的親和力不相同,其會(huì )選擇性地分布在其中一種聚合物連續相中或相界面中。當h-BN在其富集相或界面內形成微導電網(wǎng)絡(luò )后,這種富集相或界面又會(huì )在整個(gè)基體內形成宏觀(guān)導電網(wǎng)絡(luò )。因此雙逾滲現象大大促進(jìn)了微導電鏈及宏觀(guān)導電網(wǎng)絡(luò )的形成,使復合材料導電的逾滲閾值大幅度下降,在低填充量下就能實(shí)現較高的熱導率。


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