-
鄒小姐：13326633089 -
-
cac_sales@sina.com 
采用添加導熱填料的方式來提高高分子聚合物基體的導熱性能，來解決新一代高功率、高度集成、體積更小的電子產品器件的散熱問題，已經是主流的常用方案。氮化硼（BN）是目前導熱最高的絕緣導熱材料，受限于高性能粉體的制備生產以及應用技術還不夠成熟，且價格偏高，目前市場還處于初期階段，但國內外關于氮化硼作為導熱填料的研究一直是備受關注的熱點。
氮化硼粉
復合型導熱高分子材料的導熱機理
目前，復合型導熱高分子材料的導熱機理主要包括導熱路徑理論、導熱滲濾
理論和熱彈性系數理論。
（1）導熱路徑理論
導熱路徑理論是最重要且用途最廣的理論，其通過導熱填料與聚合物基體的接觸來形成路徑。由于聚合物基體的巨大熱阻，熱流將沿著熱阻最小的導熱填料通道傳遞，即熱流想方設法從導熱填料“搭的橋”通過。
熱傳導填料在聚合物基體中的分布
導熱填料添加量較低時，填料隨機分散在聚合物基質中（此時聚合物基質為連續相，而導熱填料為分散相，類似于海島狀結構），填料間很少相互接觸和相互重疊，難以形成有效的導熱通道和網絡。在這種情況下，填料間搭的“橋”不能互通，熱流根本走不通，也就只好還是從基體間通過，此時復合材料的熱導率跟基體的固有熱導率并無多大差別。
隨著進一步添加導熱填料，填料開始相互接觸，并且在聚合物復合材料中會形成更多的導熱鏈或網絡（聚合物基質和填料都為連續相），導熱通路一通，這種情況下復合材料的熱導率就會明顯提升。
（2）導熱滲濾理論
這個理論是源自導電聚合物的滲濾現象，即在高分子樹脂基體與導電填料之間有一個“滲濾閾值”，當導電填料的添加體積分數達到一個臨界值時，在滲透轉變點附近，聚合物復合材料的電導率急劇增加，增加了數百倍甚至數千倍。
但是研究表明，導熱復合材料的熱導率通常是隨著導熱填料的增加而緩慢提升的，并不能完全適用，目前，滲濾行為僅在一些具有高導熱填料例如碳納米管（CNT）的填充的聚合物復合材料中發現。
碳納米管
（3）熱彈性系數理論
通過分析各種無機物質的熱特性，非金屬材料通常依靠聲子的傳動來傳遞熱量，因此復合材料導熱率的變化與經典振動和彈性力學中的彈性系數和模量非常相似。材料本身的熱導率越高，熱彈性系數和聲子傳遞效率越高，可以將材料熱導率的提高視為高導熱填料對聚合物基體的復合增強作用。
氮化硼的結構特點
氮化硼擁有類似石墨的片層結構的晶體，因此可以像石墨獲得單層石墨烯一樣獲得單層氮化硼或者是少層的氮化硼納米片(BNNSs)，單獨的h-BN基面可以等效為單層的石墨烯，在h-BN片層中，N原子和B原子通過強共價鍵連接，這點與石墨烯相似，與之不同的是這種共價鍵中還包含一些類似于離子鍵的性質。
在實際的應用中，h-BN的結構往往是存在著缺陷的，這些缺陷會嚴重影響到聲子的傳播。研究表明h-BN與石墨烯類似，薄而寬的結構往往晶格缺陷較少，所以這種的氮化硼的本征導熱率高，相反厚而窄結構的本征導熱率會低。另一方面，聲子在界面處會發生散射，這種散射的存在導致了聲子的傳播被極大地阻礙。因此要想發揮h-BN的高導熱性能，首先要獲得片層薄且大的納米氮化硼片。
h-BN的結構
氮化硼/聚合物導熱復合材料導熱性能的提升
目前，制備的高導熱 BN/聚合物復合材料按照填料分布狀態主要分為兩類：填料無規分布與填料三維（3D）排列分布。
（1）填料無規分布
填料無規分布通過共混、表面改性等方法提高復合材料的熱導率。共混是通過較為簡單的物理方法將幾種材料均勻混合成型，并由此提高或者改變材料性能。材料的表面改性可以實現材料的新的性能及新的應用，與石墨烯相比，h-BN缺乏有效的化學活性位點，這使得h-BN的表面改性更加困難，目前的研究最為代表性的兩種就是共價修飾及非共價修飾，比如引入一些擁有特殊性質的官能團。
詳細內容可見以下文章：怎樣才能做好六方氮化硼納米片？
（2）填料三維（3D）排列分布
近些年來的研究熱點與難點主要集中在有3D骨架結構的導熱復合材料上。減少填料和高分子基體之間的界面數量，降低界面熱阻，是提高導熱率的關鍵，有序的3D結構不僅可以實現減少界面數量，還可以充當導熱通路，使得大部分能量沿著導熱骨架傳遞，低含量的導熱填料的復合材料也能夠夠獲得較高的導熱率。
構建3D骨架的常見方法主要有模板法，更多內容可見以下文章：三維氮化硼作為導熱填料，效果更突出！
今天我們將要介紹的是磁取向法。
受到磁性材料在磁場中可以定向排列的啟發，科研人員使用磁性納米顆粒吸附到h-BN表面，通過外加磁場使得h-BN取向，得到高順向3D結構。
制備磁化h-BN及其在外加磁場作用下取向制備各向異性復合材料過程示意圖
首先要合成磁性納米粒子，例如，在水溶液中，最有效簡單的化學合成磁性納米粒子Fe3O4的途徑是化學共沉淀法，進行沉淀反應后，析出不溶性物質，反復洗滌并脫水得到所需的Fe3O4磁性納米粒子。通過修飾氮化硼表面，使得氮化硼作為強聚電解質，在整個pH范圍內保持負電荷，合成后的磁性 Fe3O4 納米顆粒主要吸附在經過處理的氮化硼表面上，使氮化硼達到磁化效果。
氮化硼片數越多，磁化效果越好，主要時因為BNNSs具有更大的表面積，在混合溶液中能更加均勻的分散，利于表面均勻的磁化。
法向方向上磁場作用示意圖及不同磁場強度作用下復合材料取向形貌
這種方法的一大優勢是，根據磁場強度不同，填料呈現出取向排列不同的性質，可以影響導熱通路的設計。通過改變磁場的強度、形狀、時間，得到多種變化的導熱復合材料，來滿足復雜制件的不同熱管理需求，對于散熱需求越來越復雜的電子領域，可以實現更加精細控制的熱管理，具有巨大的應用價值。
參考來源：
磁調控制備熱管理氮化硼/高分子復合材料，鄺鳳霞（鄭州大學）。
粉體圈小吉
版權聲明：
本文為粉體圈原創作品，未經許可，不得轉載，也不得歪曲、篡改或復制本文內容，否則本公司將依法追究法律責任。
