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高導熱“氮化硼/聚合物復合材料”幾個關鍵點
2020年09月08日 發布 分類:粉體應用技術 點擊量:126
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絕緣、柔韌、可塑、適當的粘度、冷熱循環穩定性好使用方便等是聚合物材料應用于電子器件熱管理領域的優點所在,但聚合物的缺點“熱傳導率低”卻是一個大的毛病(普通聚合物只有0.1-0.2W/(m.K)熱導率)。因此,常常需要搭配高熱導率填料來提高熱導率,以匹配電子器件的導熱需求。常用金屬導熱填料有Cu、Ag、Al等;而在要求一定絕緣性能的情況下,需要選用非金屬導熱填料,比如陶瓷類,如MgO、Al2O3、h-BN(六方氮化硼)、AlN等,此外還有石墨烯、碳納米管、金剛石等也是熱點研究對象。

粉體應用技術

就本文討論對象BN而言,它有6種晶型,常見的是立方氮化硼(c-BN)或六方氮化硼(h-BN),c-BN和金剛石類似,主要用于制作切割工具,熱導率雖然也是賊強,但制備應用成本也老高了。h-BN有類石墨烯的層狀結構和晶格參數的白色粉末(人稱為白石墨烯),可用作高性能絕緣導熱聚合物復合材料。

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圖片來源:BANDOCHEMICALINDUSTRIES

六方氮化硼有啥好的?用于電子器件的材料僅僅是具有導熱能力是遠遠不夠的,填料的電學性能也需要被考慮的重要因素。高介電常數導熱填料(如BaTiO3,SiC,ZnO等)會引起復合材料電擊穿強度下降用作絕緣導熱材料不太合適,在常用的低介電常數絕緣導熱粒子(如AlN,BN,Si3N4,Al2O3,MgO,SiO2)中,BN的介電常數(在寬頻范圍內約為4.0)和介電損耗(1.0×108Hz時,介電損耗為2.5×10-4)均相對最低,且具有極好的高溫電阻和電擊穿強度,與聚合物電性能最接近。

因此,與其他絕緣導熱的無機粒子相比,h-BN是制備具有高電擊穿強度及絕緣電阻、低介電常數及介電損耗型導熱聚合物的輕質理想填料。很多因素都可以影響氮化硼/聚合物復合材料的導熱性能,下文將從h-BN粉體形貌、表面改性、填料在基體中的取向等方面說明。

①氮化硼顆粒形貌

導熱填料/聚合物復合材料的性質與填料的形貌等因素有關,如填料的大小、形狀和在聚合物基體中的分散狀態等都會影響聚合物的導熱性能。據稱,搭配使用不同形態的氮化硼作為填料,可使聚合物復合材料顯示出優異的導熱性能。

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圖片來源:Saint-Gobain

典型的片狀氮化硼,純在明顯的各向異性,典型的平面內熱導率為300W/mK,而穿過平面的熱導率通常僅為30W/(m.K),以片型氮化硼搭配球形的六方氮化硼團聚體(內部傾向于各向異性)可促進導熱網絡形成,可改善復合材料穿過平面的熱導率。示意圖如下所示。粉體應用技術

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圖片來源:Saint-Gobain

②氮化硼在基體中的取向

上面的描述,也同時說明了取向對于氮化硼在聚合物基體中的取向問題會影響復合材料的導熱能力。而實際上,氮化硼不會乖乖的按我們的想法排好隊,因此我們需要點強而有力的手段。

調整BN在基體中的取向最常用方法是在BN上涂覆敏感層,使其對外加磁場產生響應,但是溶劑的毒性較大,對環境的污染非常嚴重。還有一種方法是采用機械拉伸的方法調整BN在基質中的取向,也能很好的提高復合材料的導熱性。這是非常值得我們注意的,整這個材料,除了材料要選好,操作手段也是非常非常非常的重要。

③氮化硼表面處理

由于BN的化學穩定性較好,不容易形成化學鍵,本身邊緣的羥基少,活性也比較低,因此需要對其進行表面功能化改性,以增強親和力并改善其在基體中的分散性,如下是一個表面改性工作方向的案例(備注:截圖中文是機翻~)。

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氮化硼表面處理制備高導熱復合材料原版素材截圖

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除了如上幾點,雜化或多種填料混用也可以制備導熱能力強于單一導熱填料制備的復合材料。舉個例子,與含有相同含量金剛石的復合材料相比,將金剛石與h-BN微片混合后,復合材料的導熱率顯著增加,這是由于導熱網絡數量的增加或通過摻入h-BN微片引起的相鄰金剛石顆粒的聯結點增加,熱電阻率明顯降低。

部分參考資料來源:

1、氮化硼/聚合物導熱復合材料的進展;貴州大學材料與冶金學院;石倩,雷華,陳梟,徐濤,譚璐等著。

2、www.bn.saint-gobain.com

3、www.bandogrp.com

編輯:Alpha



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