导热材料“隐形冠军”：氮化硼如何有效提高复合材料导热性能

氮化硼（BN）是由同等数量的氮（N）和硼（B）原子组成，晶体结构与碳体系十分相似。现有六方氮化硼（h-BN）、立方氮化硼（c-BN）、菱方氮化硼（r-BN）及纤锌矿型氮化硼（w-BN）4种不同结构的晶型。

氮化硼晶体结构

其中h-BN是以sp²杂化方式连接的二维原子晶体，与石墨结构相似，由B原子和N原子交替排列组成的无限延伸的六边形蜂窝结构。对h-BN进行剥离、沉积，可以得到氮化硼纳米片（BNNSs）、氮化硼纳米颗粒（BNNPs）、氮化硼纳米管（BNNTs）、氮化硼纳米纤维（BNNFs）等适用于不同实际应用需求的BN纳米材料。

h-BN具有高导热性、极佳的绝缘性、热稳定性和低热膨胀系数等众多特性，在导热材料的研究方面备受关注。

当前，电子产品正高速向集成化、大功率化方向发展，然而这类产品在使用过程中会产生大量的热能，导致热量集聚，进而引发设备老化等问题，因此，为保障电子设备正常高效工作，需要能将积累的能量快速散出的高导热性能的材料。

填充型导热聚合物是由高导热填料与聚合物材料制备而得到的，此制备工艺简单、成本低、易于控制。引入具有高导热系数的氮化硼纳米材料作为导热填料，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，因此其成为制备填充型高导热、绝缘复合材料的首要选择。

利用构建三维网络来增强氮化硼/聚合物复合材料的导热性能有效地减少h-BN和聚合物之间的界面数量，降低声子散射，同时可以制造导热通路，使得热量能够有效地传输，也使得h-BN的用量减少，减少了力学性能的损伤。因此，对于三维结构复合导热材料的研究和开发已经成为当前的热点和重点。当前常见的三维导热网络的构建方法主要有模板法、自组装法、热压法和3D打印法等。

模板法

模板法在构建复合材料的三维结构方面应用广泛。就h-BN/聚合物复合材料而言，其构建过程中主要采用的模板法包括冰模板法、泡沫模板法以及牺牲模板法。模板法的优势主要在于可以精确调控网络结构，适用于多种填料和基体且操作简单易行。

冰模板法是一种主要利用悬浮液并通过调节冰晶的成核和生长来控制三维网络形貌的加工技术，与简单共混制备的复合材料相比，基于冰模板法制备的三维网络复合材料的热导率要高得多；泡沫模板法一般以泡沫为简单模板，以高导热填料为主体，利用浸渍技术将液态聚合物浸渍到预制负压形成的三维网络结构中，通过机械压缩对导热网络进行致密化和定向化；牺牲模板法主要指的是去除初始模板制备三维互连导热网络结构，已有大量研究工作利用盐和水溶性糖作为牺牲模板来制备导热复合材料的三维网络结构。

泡沫模板法制备示意图

自组装法

自组装法是指基本结构单元(分子、纳米材料、微米或更大尺度的物质)自发形成有序结构的一种技术。在自组装的过程中，基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发地组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构。该方法的优势在于合成简单，成本低，可以实现微观尺度控制，具有良好的兼容性，能够原位合成。

热压法

热压法就是利用加热加压的条件来构建3D网络结构的定向排列，可以有效地提高导热性以及机械强度，一般通过机械力干扰来完成该过程。该方法的优势在于热压过程的参数可调控性较强，可以实现取向控制，适用于多种材料体系且热压可以强化材料内部的结构稳定性。

3D打印

3D打印技术是一种无模直写成型技术。具体优点包括快速原型制作、设计自由度高、浪费少、成本低、速度快等，而且3D打印过程中发生的熔融挤出和剪切流动使BNNSs在聚合物基体中高度取向，表现出比热成型样品更好的机械强度和导热增强效果。也正因如此，使用3D打印法来构建氮化硼/聚合物复合材料的三维网络已经被广泛应用于科研实验室和制造业工厂。

BN浆料垂直挤出的3D打印法示意图

与单一填料相比，在二维BN体系中引入不同维度的填料，与BN之间通过点−面“包覆”，线−面“桥接”以及面−面“相连”的方式混合，更有利于材料内部导热通路的构建，热量沿着填料之间快速传递，从而使复合材料的导热性能更加优异。

零维导热填料。二维BN与零维填料的复合如碳化硅(SiC)、氧化铝(Al₂O₃)等，可以提高填料的整体填充率，有利于导热网络的形成。片层结构的氮化硼的成本高于球形Al₂O₃，与Al₂O₃杂化复合可以提高导热性能的同时，还可降低氮化硼填充聚合物复合材料的成本。

一维导热填料。一维填料具有管状或者线状的结构，如碳纳米管(CNT)、纳米线等。与二维BN复合时，能够在导热网络的构建中起到“桥梁”的作用，将相邻的BN连接起来，这种协同作用不仅能降低复合材料中的界面热阻，而且对导热网络的构建十分有利。

多元导热填料。h-BN与多种导热填料进行杂化组合，已成为近几年制备高导热复合材料的研究热点。通过多元填料杂化高分子基体，极大丰富了高分子基复合材料内部的导热路径，有利于声子沿着最短路径进行能传递，提高材料的导热速率。

氮化硼作为一种高效的导热填料，具有优异的导热性能、绝缘性能和化学稳定性，被广泛应用于高温、高压、高速、高精度的导热领域，例如电子器件、航空航天、新能源汽车、化工设备等高散热需求行业。

电子器件领域，可以用作导热板、导热膏、导热凝胶、散热器等材料，有效降低电子器件的温度，可以应用在智能手机、智能手表、笔记本电脑、无人机等消费类智能设备终端，稳定其性能，提高使用寿命。

航空航天领域，可以用于制造高温结构材料、导热材料、热障涂层等，应用在卫星、探测器、空间站等，提高航空航天器的性能和安全性。

新能源汽车领域，可以满足电机、电控、电池等汽车系统的散热需求，提高汽车的性能和经济性。

化工设备领域，可以制造高温反应器、催化剂、传热设备，提高化工设备的效率和安全性。