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背景介绍

随着无线充电系统、5G通信技术、新能源汽车和人工智能系统的飞速发展，电子设备的散热需求日益增长，对高性能热管理材料的要求也愈发严苛。六方氮化硼（h-BN）凭借其独特的物理特性，成为这一领域的“明星材料”。它不仅具有高达6eV的宽带隙和优异的电绝缘性能，还拥有高达2000 W/mK的理论热导率，是理想的导热绝缘填料。然而，传统h-BN基复合材料在实现平面外高导热性能中面临诸多挑战，尤其是在实现大规模生产方面。

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成果掠影

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所江南、虞锦洪团队及宁波诺丁汉大学Yixiang Xu团队在开发超高热导率且可大规模生产的多功能氮化硼基复合材料方面取得了最新进展。团队通过创新的两步法制备工艺——刮刀涂布与层压相结合，成功开发出一种氮化硼填充聚氨酯（BN/TPU）复合材料。该材料在67vol%的h-BN填充量下，实现了43W/mK的超高面外热导率，同时保持了优异的绝缘性能。这种新型BN/TPU复合材料不仅在高功率无线充电应用中展现出卓越的热管理能力，还因其毫米波的透波特性，在5G通信技术领域展现出巨大应用潜力。研究成果以“Ultra-high Thermal Conductivity Multifunctional Composites with Uniaxially Oriented Boron Nitride Sheets for Future Wireless Charging Technology”为题发表在《Advanced Composites and Hybrid Materials》期刊。

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图文导读

图1.BN/TPU薄膜的制造工艺及其展示。a-d)六方氮化硼（h-BN）的特性表征：六方氮化硼的光学图像（a），典型的扫描电子显微镜（SEM）图像揭示了其微观结构（b），尺寸分布图表明了h-BN颗粒的平均横向尺寸和分布均匀性（c）。h-BN的XRD图（d）。e)通过刮刀涂布工艺制造BN/TPU薄膜的示意图。f) 含有20、40、60和70 wt%（对应11、25、43和67 vol%）的h-BN的BN/TPU薄膜的SEM图像，展示了h-BN含量对薄膜微观结构以及BN网络连通性的影响。g) 67 vol%的BN/TPU薄膜展现出优异的机械柔韧性，能够折叠、切割、卷曲和打结，而不会出现开裂或分层。h)经过压制成型后，BN/TPU薄膜形成的致密结构。i) 施加压力与薄膜厚度减小之间的关系，以及相应的热导率提升，说明了机械压实对优化薄膜热性能的重要性。 

图2.BN/TPU复合材料的层压工艺及其微观结构。a)通过层压工艺制造BN/TPU复合材料的示意图。b)67 vol% BN/TPU复合材料的样品图和SEM截面图。c)层压工艺改变了复合材料的表面形貌，这有助于形成热传导路径并促进声子传输。d)复合材料在层压工艺前后的表面形貌变化。 e,f)67 vol% BN/TPU复合材料在层压工艺前后的典型SEM图像对比。g)67 vol% BN/TPU复合材料在室温下从0°到360°的偏振拉曼图。h)67 vol% BN/TPU复合材料的广角XRD图谱。

图3. BN/TPU复合材料的热性能。a, b) 与文献中其他报道的数据相比。c)BN/TPU复合材料的热导率与六方氮化硼（h-BN）含量的关系图。d-f)使用热像仪对67 vol% BN/TPU复合材料、Al2O3和纯TPU的热性能进行对比，展示了BN/TPU复合材料在热管理方面的卓越能力。g) BN/TPU复合材料的加热和冷却循环测试结果表明其在过程中具有优异的热稳定性和可靠性。h)在145°C和-63°C下对BN/TPU复合材料进行的温度稳定性测试结果表明，其在恶劣环境下具有强大的性能表现。 i)实验数据的拟合结果与复合材料的代表性导热预测模型对比，为复合材料热性能背后的机理提供了解释。j, k)有限元分析（FEA）模拟了h-BN横向尺寸为3和43 μm的BN/TPU复合材料的热性能，说明了颗粒尺寸对导热效率的影响，并验证了实验结果。

图4.BN/TPU复合材料在无线充电领域的应用及其基于绝缘和透波性能在其他热管理领域的潜在用途。a,b)无线充电场景及原理的示意图。c)无线充电接收PCB板的热管理，包括BN/TPU复合材料和水冷系统。d)无线充电接收器的光学照片以及应用BN/TPU样品前后的PCB板红外图像。e)通过红外设备获取的应用BN/TPU样品前后IC芯片的温度曲线。f)应用样品后接收器的180次加热和冷却循环测试。g)在5G毫米波传输测试中，应用本样品和聚乙烯（PE）、石墨纸时的信号损耗。h)与同类商业化产品对比的雷达图。