氮化硼填充导热复合材料研究综述

高分子聚合物材料具有易加工成型、低密度、耐腐蚀、耐热性、低介电常数及优异的力学性能，使其广泛应用到电子设备、航空航天等领域。其中，大部分高分子聚合物的热导率都低于0.5Wm^-1K^-1，是热绝缘体，其低导热性能限制了其在导热领域的应用，因此提高高分子聚合物材料的导热性能成为研究的重点。

导热聚合物材料

氮化硼/聚合物导热复合材料

氮化硼不仅可有效提高聚合物基体的导热性，同时还能保持材料的电绝缘性，所以是制备填充型高导热、绝缘复合材料的首选。

氮化硼(BN)包含六种晶型，常见的BN有立方氮化硼(c-BN)和六方氮化硼(h-BN)。c-BN与金刚石类似，一般用于制造切割工具。h-BN具有类似石墨的层状结构，具有出色的力学性能，其面内机械强度可以达500N/m。h-BN还具有出色的耐高温性能，在空气中抗氧化温度为900℃，在真空条件下更是可以达到2000℃。同时h-BN还具有超高的热导率和优良的绝缘性能。

BN按形态可分为块状BN(h-BNs)、片状BN和管状BN，可通过合适的方法可将块状BN进行剥离得到片状BN。研究显示，可将氮化硼纳米管(BNNTs)分为单壁和多壁这两种结构。对于单壁氮化硼纳米管，可将其看作由h-BN单层平面卷曲而成，在h-BN平面中，B，N原子以SP²杂化，从而形成类似石墨的六角网状结构。而多壁氮化硼纳米管可看作由同轴单壁纳米管所形成。

填料/聚合物复合材料的性质依赖于填料的性质，如填料的大小、形状和在聚合物基体中的分散状态都会影响聚合物的导热性能。通常大粒径填料可以明显提高复合材料的导热系数，这是因为粒子间界面接触少、热阻较小；粒径也不能过大，否则填料与基体之间的空隙大，不利于导热通路的形成；小粒径填料易被基体包覆，导热粒子难以相互接触，从而导致复合材料的导热系数较低。

Wang等分别选用尺寸范围为5~8μm，15~20μm和25~30μm的BN颗粒制备了环氧复合材料。当填料的质量分数为30%时，对应的导热系数分别为1.103，1.234，1.476W/(m·K)。

YaN等的研究表明环氧/BNNT-BNNSs复合材料的导热性较纯环氧得到提高，原因是BNNT-BNNSs填料产生有效的BNNT-BNNSs网络，其显著增加热流区域并促进声子在环氧BNNT-BNNSs复合材料中的扩散。而且，在环氧基体重只要加入少量的BNNT就可以极大的促进导热网络的形成并且促进导热性的增强。

由于BN化学稳定性很好，不容易形成化学键，而且容易团聚，所以BN与基质材料的亲和力差，因此需要对其表面改性以增强与基体的亲和力并改善其在基体中的分散性。研究表明，BN表面功能化有助于降低BN的聚集和增强复合材料的热导率。BN的表面功能化显著增强了聚合物基体与BN的界面相互作用。硅烷偶联剂是最常用的BN界面改性剂。

Kim等研究聚硅氮烷(PSZ)改性BN对环氧树脂导热性能的影响，由于填料粒子表面极性官能团Si-O键的双偶极作用形成的氢键增强了BN与基体的界面粘结性能，故在300℃及N₂环境下热解；当填料含量为70%（质量分数）时，复合材料热导率增至3.521W/(m·K)，比未改性BN/环氧复合材料的热导率增加了1.35倍。

h-BN具有显著的各向异性，其面内热导率远高于面外热导率，且BN通常在聚合物基体中随机分散，材料在热流方向上未能形成导热传输网络，因此热阻较大，进而材料的传热性不能满足电子产品散热的要求。对聚合物基体中的h-BN进行取向排列，充分利用h-BN的面内导热特性，可以提高复合材料的热导率。常用的取向方法有刮刀法、磁场校准、振荡剪切、电磁响应及冰模板法。

Yu等采用刮刀切片的方法制备氮化硼/环氧复合材料，使h-BN微片在复合材料中垂直排列成密集堆积结构，最终获得平面热导率高达9W/(m·K)的复合材料。Zhan等采用磁响应的方法使得导热填料h-BN在聚亚芳基醚腈（PEN）基体中取向排列。当填料的质量分数为30%时，复合材料热导率达到0.662W/(m·K)，比纯PEN增加了140%。

由于单一的导热填料对提高复合材料的热导率有限，通过添加一种高导热填料来提高聚合物热导率的常用方法通常不能达到预期的效果，通常是针对一些需要电绝缘性能的复合材料。目前很多研究人员将不同种类的颗粒进行共混进而来提高复合材料的热导率。采用含有不同粒径和不同形状的填料的协同效应是增强复合材料导热性的常用方法。

Li等采用了一部分Al₂O₃替代了BN来制备PHB/BN/Al₂O₃复合材料，与只添加BN的PHB/BN复合材料相比，PHB/BN/Al₂O₃复合材料的热导率显著提高。当一部分BN被Al2O3代替后，BN倾向于沿着Al₂O₃的表面团聚以及排列，该团聚体可以通过增加填料之间的接触面积，形成更有效的热传导路径。因而BN/Al₂O₃杂化填料为提高PHB复合材料热导率提供了一种有效方法，可以在填料含量较低的情况下，同时保持热导率。