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六方氮化硼：導(dǎo)熱粉體的新革命，電子器件領(lǐng)域的關(guān)鍵材料

東超 2024-05-11 | 閱讀：1254

六方氮化硼（h-BN）是一種廣泛應(yīng)用于電子、化工、航空航天等領(lǐng)域的導(dǎo)熱材料，其形態(tài)包括片狀、塊狀、球狀等，每種形態(tài)在導(dǎo)熱、機(jī)械性能、潤滑性能等方面都有獨特的優(yōu)勢。為了提高h(yuǎn)-BN的性能，通常需要對其進(jìn)行表面改性。氮化硼的高導(dǎo)熱性能可以通過使用不同尺寸的填料和引入多種維度填料進(jìn)行混合來實現(xiàn)。表面改性基團(tuán)對復(fù)合材料導(dǎo)熱性能有顯著影響，如氨基表面改性有利于在高填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)下獲得更好的導(dǎo)熱性能。南京大學(xué)姚亞剛教授課題組采用球形氧化鋁與片狀h-BN互連制備的高導(dǎo)熱復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能。要有效利用h-BN，需要對其進(jìn)行功能化改性，如非共價鍵改性和共價鍵改性等方法，以提高其在有機(jī)溶劑和聚合物基體中的分散性和相容性。

六方氮化硼粉體不同形貌間的性能差異

六方氮化硼（h-BN）是一種具有高導(dǎo)熱性和優(yōu)異電絕緣性能的材料，廣泛應(yīng)用于電子、化工和航空航天等領(lǐng)域。其形態(tài)包括片狀、塊狀和球狀，每種形態(tài)在實際應(yīng)用中表現(xiàn)出獨特的性能特點。

在導(dǎo)熱性能方面，片狀h-BN因其層狀結(jié)構(gòu)在平行方向上具有極高的熱導(dǎo)率，適合水平方向高效散熱的場合，如電子設(shè)備散熱材料。而球形h-BN作為填料時能帶來更高的填充量，理論上填充率越高，整體導(dǎo)熱性能越好，尤其適合電池散熱等垂直方向散熱需求。

在機(jī)械性能方面，片狀h-BN在復(fù)合材料中形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增強機(jī)械強度；球形h-BN則提供更好的分散性和改善材料整體機(jī)械性能。

潤滑性能方面，片狀和球形h-BN都能作為潤滑添加劑使用，但片狀h-BN在某些特定應(yīng)用中可能展現(xiàn)更出色的潤滑效果。

電絕緣性能方面，h-BN的形態(tài)對電絕緣性能的影響相對較小，更多取決于其純度和結(jié)構(gòu)完整性，但片狀h-BN在特定情況下可能表現(xiàn)出更佳的絕緣性能。

加工性能方面，球形h-BN因其規(guī)則形狀在加工過程中更容易實現(xiàn)高填充量，提高加工效率和材料性能。

實際應(yīng)用中，選擇何種形態(tài)的h-BN粉體取決于具體的應(yīng)用需求和條件。通常需要對其進(jìn)行表面改性以提高應(yīng)用性能，但h-BN的化學(xué)惰性和抗氧化性增加了表面改性的難度。東超新材擁有豐富的功能粉體表面處理經(jīng)驗，已成功研發(fā)出改性氮化硼粉體，滿足不同應(yīng)用需求。

為了實現(xiàn)氮化硼的高導(dǎo)熱性能，可以采取以下兩種主要策略：

1. 使用不同尺寸的填料：結(jié)合微米級和納米級的BN顆粒作為導(dǎo)熱填料，在復(fù)合材料內(nèi)部建立有效的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。微米級BN顆粒形成主要的熱傳導(dǎo)路徑，而納米級BN顆粒起到連接作用，增加導(dǎo)熱通路，從而提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。

2. 引入多種維度填料進(jìn)行混合：將BN與其他維度的填料（如零維、一維和二維填料）進(jìn)行復(fù)合，充分利用不同填料之間的協(xié)同作用來提升導(dǎo)熱填料在聚合物基體中的填充密度。這種策略有助于導(dǎo)熱路徑的形成，還能對復(fù)合材料的綜合性能產(chǎn)生積極影響。

具體來說，可以通過將BN與零維填料（如碳化硅、氧化鋁等）復(fù)合，提高填料的整體填充率，有利于導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成，并降低氮化硼填充聚合物復(fù)合材料的成本。一維填料（如碳納米管、納米線等）在與二維BN復(fù)合時能起到“橋梁”作用，將相鄰的BN連接起來，降低復(fù)合材料中的界面熱阻，有利于導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。二維填料（如氧化石墨烯）與BN復(fù)合時，由于它們之間具有較強的界面相互作用和匹配的聲子譜，可以產(chǎn)生較低的界面熱阻和更好的導(dǎo)熱性能提升。

通過合理設(shè)計填料結(jié)構(gòu)、選擇適當(dāng)?shù)呐挪技夹g(shù)以及引入多種維度填料進(jìn)行復(fù)合，可以實現(xiàn)氮化硼的高導(dǎo)熱性能，滿足電子設(shè)備熱管理的需求。

氮化硼表面改性基團(tuán)對復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響

氮化硼（BN）因其高導(dǎo)熱性和優(yōu)異的電絕緣性能，常被用作聚酰亞胺（PI）基體的填料，制備BN/PI復(fù)合材料，以提高絕緣材料的熱導(dǎo)率，減少熱量積聚和絕緣材料的熱擊穿問題。然而，BN與PI之間的界面相容性差，導(dǎo)致BN在PI基體中難以均勻分散，影響導(dǎo)熱性能。因此，對BN顆粒進(jìn)行表面改性是提高BN/PI復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵。

通過原位聚合法，可以制備氨基、羧基和羥基表面改性的BN顆粒，這些改性方法能夠增加BN顆粒與PI基體的結(jié)合作用，改善界面相容性，從而獲得導(dǎo)熱性能良好的BN/PI復(fù)合材料。研究表明，氨基表面改性的BN顆粒（BN-NH2/PI）在高填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)下具有更好的導(dǎo)熱性能，而羧基表面改性的BN顆粒（BN-COOH/PI）在填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時可以獲得最高的熱擴(kuò)散系數(shù)。這些結(jié)果表明，表面改性可以顯著改善BN/PI復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，從而提高其在變頻電機(jī)等高熱應(yīng)力環(huán)境中的應(yīng)用潛力。