如何進(jìn)一步提升氮化硼填料的導(dǎo)熱作用？試試磁性調(diào)控

采用添加導(dǎo)熱填料的方式來提高高分子聚合物基體的導(dǎo)熱性能，來解決新一代高功率、高度集成、體積更小的電子產(chǎn)品器件的散熱問題，已經(jīng)是主流的常用方案。氮化硼（BN）是目前導(dǎo)熱最高的絕緣導(dǎo)熱材料，受限于高性能粉體的制備生產(chǎn)以及應(yīng)用技術(shù)還不夠成熟，且價格偏高，目前市場還處于初期階段，但國內(nèi)外關(guān)于氮化硼作為導(dǎo)熱填料的研究一直是備受關(guān)注的熱點。

氮化硼粉

復(fù)合型導(dǎo)熱高分子材料的導(dǎo)熱機理

目前，復(fù)合型導(dǎo)熱高分子材料的導(dǎo)熱機理主要包括導(dǎo)熱路徑理論、導(dǎo)熱滲濾

理論和熱彈性系數(shù)理論。

（1）導(dǎo)熱路徑理論

導(dǎo)熱路徑理論是最重要且用途最廣的理論，其通過導(dǎo)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(dǎo)熱填料通道傳遞，即熱流想方設(shè)法從導(dǎo)熱填料“搭的橋”通過。

熱傳導(dǎo)填料在聚合物基體中的分布

導(dǎo)熱填料添加量較低時，填料隨機分散在聚合物基質(zhì)中（此時聚合物基質(zhì)為連續(xù)相，而導(dǎo)熱填料為分散相，類似于海島狀結(jié)構(gòu)），填料間很少相互接觸和相互重疊，難以形成有效的導(dǎo)熱通道和網(wǎng)絡(luò)。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(fù)合材料的熱導(dǎo)率跟基體的固有熱導(dǎo)率并無多大差別。

隨著進(jìn)一步添加導(dǎo)熱填料，填料開始相互接觸，并且在聚合物復(fù)合材料中會形成更多的導(dǎo)熱鏈或網(wǎng)絡(luò)（聚合物基質(zhì)和填料都為連續(xù)相），導(dǎo)熱通路一通，這種情況下復(fù)合材料的熱導(dǎo)率就會明顯提升。

（2）導(dǎo)熱滲濾理論

這個理論是源自導(dǎo)電聚合物的滲濾現(xiàn)象，即在高分子樹脂基體與導(dǎo)電填料之間有一個“滲濾閾值”，當(dāng)導(dǎo)電填料的添加體積分?jǐn)?shù)達(dá)到一個臨界值時，在滲透轉(zhuǎn)變點附近，聚合物復(fù)合材料的電導(dǎo)率急劇增加，增加了數(shù)百倍甚至數(shù)千倍。

但是研究表明，導(dǎo)熱復(fù)合材料的熱導(dǎo)率通常是隨著導(dǎo)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(dǎo)熱填料例如碳納米管（CNT）的填充的聚合物復(fù)合材料中發(fā)現(xiàn)。

碳納米管

（3）熱彈性系數(shù)理論

通過分析各種無機物質(zhì)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(fù)合材料導(dǎo)熱率的變化與經(jīng)典振動和彈性力學(xué)中的彈性系數(shù)和模量非常相似。材料本身的熱導(dǎo)率越高，熱彈性系數(shù)和聲子傳遞效率越高，可以將材料熱導(dǎo)率的提高視為高導(dǎo)熱填料對聚合物基體的復(fù)合增強作用。

氮化硼的結(jié)構(gòu)特點

氮化硼擁有類似石墨的片層結(jié)構(gòu)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(zhì)。

在實際的應(yīng)用中，h-BN的結(jié)構(gòu)往往是存在著缺陷的，這些缺陷會嚴(yán)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(jié)構(gòu)往往晶格缺陷較少，所以這種的氮化硼的本征導(dǎo)熱率高，相反厚而窄結(jié)構(gòu)的本征導(dǎo)熱率會低。另一方面，聲子在界面處會發(fā)生散射，這種散射的存在導(dǎo)致了聲子的傳播被極大地阻礙。因此要想發(fā)揮h-BN的高導(dǎo)熱性能，首先要獲得片層薄且大的納米氮化硼片。

 h-BN的結(jié)構(gòu)

氮化硼/聚合物導(dǎo)熱復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的提升

目前，制備的高導(dǎo)熱 BN/聚合物復(fù)合材料按照填料分布狀態(tài)主要分為兩類：填料無規(guī)分布與填料三維（3D）排列分布。

（1）填料無規(guī)分布

填料無規(guī)分布通過共混、表面改性等方法提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)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(xiàn)材料的新的性能及新的應(yīng)用，與石墨烯相比，h-BN缺乏有效的化學(xué)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(zhì)的官能團(tuán)。

詳細(xì)內(nèi)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(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱復(fù)合材料上。減少填料和高分子基體之間的界面數(shù)量，降低界面熱阻，是提高導(dǎo)熱率的關(guān)鍵，有序的3D結(jié)構(gòu)不僅可以實現(xiàn)減少界面數(shù)量，還可以充當(dāng)導(dǎo)熱通路，使得大部分能量沿著導(dǎo)熱骨架傳遞，低含量的導(dǎo)熱填料的復(fù)合材料也能夠夠獲得較高的導(dǎo)熱率。

構(gòu)建3D骨架的常見方法主要有模板法，更多內(nèi)容可見以下文章：三維氮化硼作為導(dǎo)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(fā)，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(jié)構(gòu)。

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(fù)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(xué)合成磁性納米粒子Fe3O4的途徑是化學(xué)共沉淀法，進(jìn)行沉淀反應(yīng)后，析出不溶性物質(zhì)，反復(fù)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(zhì)，在整個pH范圍內(nèi)保持負(fù)電荷，合成后的磁性 Fe3O4 納米顆粒主要吸附在經(jīng)過處理的氮化硼表面上，使氮化硼達(dá)到磁化效果。

氮化硼片數(shù)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(fù)合材料取向形貌

這種方法的一大優(yōu)勢是，根據(jù)磁場強度不同，填料呈現(xiàn)出取向排列不同的性質(zhì)，可以影響導(dǎo)熱通路的設(shè)計。通過改變磁場的強度、形狀、時間，得到多種變化的導(dǎo)熱復(fù)合材料，來滿足復(fù)雜制件的不同熱管理需求，對于散熱需求越來越復(fù)雜的電子領(lǐng)域，可以實現(xiàn)更加精細(xì)控制的熱管理，具有巨大的應(yīng)用價值。