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六方氮化硼：如何打破導(dǎo)熱復(fù)合材料的“不可能三角”

信息來源：本站 | 發(fā)布日期： 2024-07-15 08:20:40 | 瀏覽量：86503

摘要：

隨著電子信息時(shí)代的發(fā)展，高性能的導(dǎo)熱材料備受關(guān)注，導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備是獲取各項(xiàng)性能優(yōu)異的導(dǎo)熱材料行之有效的思路之一。導(dǎo)熱填料與基體以分散復(fù)合、表面復(fù)合、層積復(fù)合和梯度復(fù)合等方式結(jié)合在一起,形成密集的熱通道,得到導(dǎo)熱性能優(yōu)異的復(fù)合材料。隨著電子設(shè)備的”輕薄…

隨著電子信息時(shí)代的發(fā)展，高性能的導(dǎo)熱材料備受關(guān)注，導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備是獲取各項(xiàng)性能優(yōu)異的導(dǎo)熱材料行之有效的思路之一。導(dǎo)熱填料與基體以分散復(fù)合、表面復(fù)合、層積復(fù)合和梯度復(fù)合等方式結(jié)合在一起,形成密集的熱通道,得到導(dǎo)熱性能優(yōu)異的復(fù)合材料。隨著電子設(shè)備的”輕薄短小”的發(fā)展，導(dǎo)熱復(fù)合材料也呈現(xiàn)出輕量化、高導(dǎo)熱的趨勢。


（一）導(dǎo)熱復(fù)合材料的不可能三角

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在宏觀經(jīng)濟(jì)學(xué)界，有一個(gè)著名的不可能三角理論，而在材料界，也存在一個(gè)“導(dǎo)熱復(fù)合材料的不可能三角”，可以概括為：技術(shù)路線不變的前提下，“更高的導(dǎo)熱率”、“更輕的重量（密度）”和“更低的成本”這三個(gè)要素很難同時(shí)達(dá)成，至多可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)。


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一般而言，材料的導(dǎo)熱系數(shù)與密度存在一定的關(guān)系，密度較低的材料，導(dǎo)熱系數(shù)也較低，要實(shí)現(xiàn)更高的導(dǎo)熱系數(shù)，就必須具有較高的導(dǎo)熱密度。因此，更高導(dǎo)熱與更輕量化往往是不可兼得的。


（二）低填充量是六方氮化硼降本的重要途徑

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六方氮化硼是一種新型的導(dǎo)熱填料，同時(shí)具有低密度、高熱導(dǎo)率的特點(diǎn)，此外，還具有優(yōu)異的電絕緣性能，是一種重要的電子元件導(dǎo)熱填料。雖然六方氮化硼本身已經(jīng)具備了高導(dǎo)熱率、更輕量化兩大要素，但受限于高性能粉體的制備以及應(yīng)用技術(shù)還不夠成熟，六方氮化硼的價(jià)格往往偏高，難以達(dá)到低成本的要求。因此，如何降低氮化硼導(dǎo)熱復(fù)合材料的成本是突破導(dǎo)熱復(fù)合材料不可能三角的難點(diǎn)。

在傳統(tǒng)的復(fù)合材料制備工藝中，需要將六方氮化硼隨機(jī)且不規(guī)則地分布在基體中，理論上來說，導(dǎo)熱填料填充量越高，材料整體的導(dǎo)熱性能越好。然而高填充量不僅可能帶來受熱開裂等問題，必然還會帶來成本的上升，這在很大程度上限制了材料的應(yīng)用。因此，如何在低填充量的情況下保證高導(dǎo)熱率是六方氮化硼復(fù)合材料降低成本的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

制備導(dǎo)熱性能優(yōu)異的復(fù)合材料的關(guān)鍵之一在于盡可能多的形成導(dǎo)熱通路，因此對熱傳導(dǎo)通道進(jìn)行人為的調(diào)控和優(yōu)化，是減少導(dǎo)熱填料添加量的有效方法。


（三）優(yōu)化六方氮化硼熱傳導(dǎo)通道的方法

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1.二維取向

與石墨類似的層狀結(jié)構(gòu)造就了六方氮化硼顯著的各向異性，而定向性是建立高效熱通道的重要條件。目前，主要有兩種方式可以使導(dǎo)熱填料在復(fù)合材料內(nèi)部發(fā)生取向，一種是在加工過程中利用剪切力或者拉伸力使導(dǎo)熱填料取向，另一種是在電場或磁場等外力作用下驅(qū)動導(dǎo)熱填料取向。

2.3D導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)

3D 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建可以形成良好的連續(xù)導(dǎo)熱通路，降低填料與高分子基體間的界面熱阻，促進(jìn)聲子的傳播，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的優(yōu)異導(dǎo)熱性能。合理的 3D 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以大大提高導(dǎo)熱復(fù)合材料的內(nèi)部熱能傳遞速率、減少六方氮化硼填料的使用成本。制備具有3D網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)熱復(fù)合材料的關(guān)鍵在于，要先利用導(dǎo)熱填料的自組裝來達(dá)到它的逾滲狀態(tài)，進(jìn)行3D導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的預(yù)先構(gòu)建，之后將自組裝形成3D導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)與體組裝制備得到復(fù)合材料。


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（圖源：高分子材料科學(xué)與工程）


3.雜化填料

導(dǎo)熱填料的種類、尺寸和形狀等參數(shù)都對復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)有影響，單一的導(dǎo)熱填料對復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的改善是有局限性的。因此，在制備復(fù)合材料時(shí)可以通過添加不同種類、不同形狀和不同尺寸的導(dǎo)熱填料來改善其導(dǎo)熱性能，這樣不僅可以增加復(fù)合材料中導(dǎo)熱填料的密度，還可以利用導(dǎo)熱填料之間的協(xié)同作用，在復(fù)合材料內(nèi)部形成更多的熱傳導(dǎo)通道，從而在降低導(dǎo)熱填料添加量的情況下，也可以獲得具有優(yōu)良導(dǎo)熱性能的復(fù)合材料。

4.雙逾滲結(jié)構(gòu)

導(dǎo)熱填料在復(fù)合材料中的雙逾滲結(jié)構(gòu)是指當(dāng)導(dǎo)熱填料在一種聚合物連續(xù)相中處于逾滲狀態(tài)時(shí)，該連續(xù)相在另一種聚合物連續(xù)相中也處于逾滲狀態(tài)。也就是說，通過特殊的制備工藝，使導(dǎo)熱填料選擇性地分布在由兩種不同的聚合物共混形成的聚合物基體的其中一種連續(xù)相中。與傳統(tǒng)的在單一連續(xù)相中均勻分散相比，在相同的導(dǎo)熱填料添加量下，雙逾滲結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)更高。

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