六方氮化硼：如何打破导热复合材料的“不可能三角”

信息来源：本站 | 发布日期： 2024-07-15 08:20:40 | 浏览量：735176

摘要：

随着电子信息时代的发展，高性能的导热材料备受关注，导热复合材料的制备是获取各项性能优异的导热材料行之有效的思路之一。导热填料与基体以分散复合、表面复合、层积复合和梯度复合等方式结合在一起,形成密集的热通道,得到导热性能优异的复合材料。随着电子设备的”轻薄…

随着电子信息时代的发展，高性能的导热材料备受关注，导热复合材料的制备是获取各项性能优异的导热材料行之有效的思路之一。导热填料与基体以分散复合、表面复合、层积复合和梯度复合等方式结合在一起,形成密集的热通道,得到导热性能优异的复合材料。随着电子设备的”轻薄短小”的发展，导热复合材料也呈现出轻量化、高导热的趋势。

（一）导热复合材料的不可能三角

在宏观经济学界，有一个^的不可能三角理论，而在材料界，也存在一个“导热复合材料的不可能三角”，可以概括为：技术路线不变的前提下，“更高的导热率”、“更轻的重量（密度）”和“更低的成本”这三个要素很难同时达成，至多可以实现两个。

一般而言，材料的导热系数与密度存在一定的关系，密度较低的材料，导热系数也较低，要实现更高的导热系数，就必须具有较高的导热密度。因此，更高导热与更轻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径

六方氮化硼是一种新型的导热填料，同时具有低密度、高热导率的特点，此外，还具有优异的电绝缘性能，是一种重要的电子元件导热填料。虽然六方氮化硼本身已经具备了高导热率、更轻量化两大要素，但受限于高性能粉体的制备以及应用技术还不够成熟，六方氮化硼的价格往往偏高，难以达到低成本的要求。因此，如何降低氮化硼导热复合材料的成本是突破导热复合材料不可能三角的难点。

在传统的复合材料制备工艺中，需要将六方氮化硼随机且不规则地分布在基体中，理论上来说，导热填料填充量越高，材料整体的导热性能越好。然而高填充量不仅可能带来受热开裂等问题，必然还会带来成本的上升，这在很大程度上限制了材料的应用。因此，如何在低填充量的情况下保证高导热率是六方氮化硼复合材料降低成本的关键环节。

制备导热性能优异的复合材料的关键之一在于尽可能多的形成导热通路，因此对热传导通道进行人为的调控和优化，是减少导热填料添加量的有效方法。

（三）优化六方氮化硼热传导通道的方法

1.二维取向

与石墨类似的层状结构造就了六方氮化硼显著的各向异性，而定向性是建立高效热通道的重要条件。目前，主要有两种方式可以使导热填料在复合材料内部发生取向，一种是在加工过程中利用剪切力或者拉伸力使导热填料取向，另一种是在电场或磁场等外力作用下驱动导热填料取向。

2.3D导热网络

3D 网络结构的构建可以形成良好的连续导热通路，降低填料与高分子基体间的界面热阻，促进声子的传播，实现复合材料的优异导热性能。合理的 3D 网络结构设计可以大大提高导热复合材料的内部热能传递速率、减少六方氮化硼填料的使用成本。制备具有3D网络导热复合材料的关键在于，要先利用导热填料的自组装来达到它的逾渗状态，进行3D导热网络的预先构建，之后将自组装形成3D导热网络与体组装制备得到复合材料。

（图源：高分子材料科学与工程）

3.杂化填料

导热填料的种类、尺寸和形状等参数都对复合材料的导热系数有影响，单一的导热填料对复合材料导热性能的改善是有局限性的。因此，在制备复合材料时可以通过添加不同种类、不同形状和不同尺寸的导热填料来改善其导热性能，这样不仅可以增加复合材料中导热填料的密度，还可以利用导热填料之间的协同作用，在复合材料内部形成更多的热传导通道，从而在降低导热填料添加量的情况下，也可以获得具有优良导热性能的复合材料。

4.双逾渗结构

导热填料在复合材料中的双逾渗结构是指当导热填料在一种聚合物连续相中处于逾渗状态时，该连续相在另一种聚合物连续相中也处于逾渗状态。也就是说，通过特殊的制备工艺，使导热填料选择性地分布在由两种不同的聚合物共混形成的聚合物基体的其中一种连续相中。与传统的在单一连续相中均匀分散相比，在相同的导热填料添加量下，双逾渗结构复合材料的导热系数更高。

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