高导热“氮化硼/聚合物复合材料”几个关键点
2020-12-18 16:59:46
绝缘、柔韧、可塑、适当的粘度、冷热循环稳定性好、使用方便等是聚合物材料应用于电子器件热管理领域的优点所在，但聚合物的缺点“热传导率低”却是一个大的毛病（普通聚合物只有0.1-0.2W/(m.K)热导率）。因此，常常需要搭配高热导率填料来提高热导率，以匹配电子器件的导热需求。常用金属导热填料有Cu、Ag、Al等；而在要求一定绝缘性能的情况下，需要选用非金属导热填料，比如陶瓷类，如MgO、Al2O3、h-BN(六方氮化硼)、AlN等，此外还有石墨烯、碳纳米管、金刚石等也是热点研究对象。
就本文讨论对象BN而言，它有6种晶型，常见的是立方氮化硼(c-BN)或六方氮化硼(h-BN)，c-BN和金刚石类似，主要用于制作切割工具，热导率虽然也是贼强，但制备应用成本也老高了。h-BN有类石墨烯的层状结构和晶格参数的白色粉末(人称为白石墨烯)，可用作高性能绝缘导热聚合物复合材料。
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六方氮化硼有啥好的？用于电子器件的材料仅仅是具有导热能力是远远不够的，填料的电学性能也需要被考虑的重要因素。高介电常数导热填料（如BaTiO3，SiC，ZnO等）会引起复合材料电击穿强度下降用作绝缘导热材料不太合适，在常用的低介电常数绝缘导热粒子（如AlN，BN，Si3N4，Al2O3，MgO，SiO2）中，BN的介电常数（在宽频范围内约为4.0）和介电损耗（1.0×108Hz时，介电损耗为2.5×10-4）均相对最低，且具有极好的高温电阻和电击穿强度，与聚合物电性能最接近。
因此，与其他绝缘导热的无机粒子相比，h-BN是制备具有高电击穿强度及绝缘电阻、低介电常数及介电损耗型导热聚合物的轻质理想填料。很多因素都可以影响氮化硼/聚合物复合材料的导热性能，下文将从h-BN粉体形貌、表面改性、填料在基体中的取向等方面说明。
①氮化硼颗粒形貌导热填料/聚合物复合材料的性质与填料的形貌等因素有关，如填料的大小、形状和在聚合物基体中的分散状态等都会影响聚合物的导热性能。据称，搭配使用不同形态的氮化硼作为填料，可使聚合物复合材料显示出优异的导热性能。
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典型的片状氮化硼，纯在明显的各向异性，典型的平面内热导率为300W/mK，而穿过平面的热导率通常仅为30W/(m.K)，以片型氮化硼搭配球形的六方氮化硼团聚体（内部倾向于各向异性）可促进导热网络形成，可改善复合材料穿过平面的热导率。示意图如下所示。
图片来源：Saint-Gobain
②氮化硼在基体中的取向上面的描述，也同时说明了取向对于氮化硼在聚合物基体中的取向问题会影响复合材料的导热能力。而实际上，氮化硼不会乖乖的按我们的想法排好队，因此我们需要点强而有力的手段。
调整BN在基体中的取向最常用方法是在BN上涂覆敏感层，使其对外加磁场产生响应，但是溶剂的毒性较大，对环境的污染非常严重。还有一种方法是采用机械拉伸的方法调整BN在基质中的取向，也能很好的提高复合材料的导热性。这是非常值得我们注意的，整这个材料，除了材料要选好，操作手段也是非常非常非常的重要。
③氮化硼表面处理由于BN的化学稳定性较好，不容易形成化学键，本身边缘的羟基少，活性也比较低，因此需要对其进行表面功能化改性，以增强亲和力并改善其在基体中的分散性，如下是一个表面改性工作方向的案例（备注：截图中文是机翻~）。
氮化硼表面处理制备高导热复合材料原版素材截图
除了如上几点，杂化或多种填料混用也可以制备导热能力强于单一导热填料制备的复合材料。举个例子，与含有相同含量金刚石的复合材料相比，将金刚石与h-BN微片混合后，复合材料的导热率显著增加，这是由于导热网络数量的增加或通过掺入h-BN微片引起的相邻金刚石颗粒的联结点增加，热电阻率明显降低。
部分参考资料来源：
1、氮化硼/聚合物导热复合材料的进展；贵州大学材料与冶金学院；石倩，雷华，陈枭，徐涛，谭璐等著。
2、www.bn.saint-gobain.com
3、www.bandogrp.com
编辑：Alpha