六方氮化硼导热复合材料研究进展

随着电子元器件、电力系统和通讯设备等领域的飞速发展,其小型化、集成化程度越来越高,功率密度大幅增加,由此带来的散热困难严重影响着器件的效率和寿命,在很大程度上制约着微电子集成技术的进一步发展。众所周知,电子设备的散热能力取决于其所使用的热管理材料而非器件本身,这也就意味着开发一种高性能的热管理材料成了亟待解决的问题。高分子材料独特的结构和易改性、易加工的特点,使其具有其他材料不可比拟、不可取代的优异性能,从而广泛地用于科学技术、国防建设和国民经济的各个领域。但一般高分子材料都是热的不良导体,其导热系数一般都低于0.5 W·m-1·K-1。但若在高分子材料中添加高导热材料,如碳材料(石墨烯、碳纳米管、金刚石等),陶瓷材料(氮化铝、氧化铝、碳化硅、氮化硼等)以及金属纳米颗粒等,可以显著提高高分子复合材料的导热能力。六方氮化硼(Hexagonal Boron Nitride,h-BN)也被称为“白色石墨烯”,是一种具有类石墨烯结构的层状晶体。h-BN具有出色的力学性能,其面内机械强度可以达500 N/m[1]。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2 000℃。同时,h-BN还具有超高的热导率,其中六方氮化硼纳米片(Boron Nitride Nanosheets,BNNS)的理论计算热导率高达1 700~2 000 W·m-1·K-1[2]。更重要的是,h-BN具有优良的绝缘性能,其禁带宽度为5.2 eV、击穿强度高达35 kV/mm[3],这使得h-BN可在对绝缘和散热均有要求的工况下使用,这一点是石墨烯无法比拟的。正是因为拥有上述优异的性质,h-BN是一种^应用价值和前景的导热填料。近年来,研究者们致力于h-BN基导热复合材料的研究,并取得了不菲的成就。除了共混(3.1小节)外,为了进一步提高h-BN基导热复合材料的热导率,开发了很多新的方法。例如,为了提高h-BN和高分子基体之间的匹配度,进一步降低界面热阻,对h-BN进行表面修饰(3.2小节);为了充分发挥不同导热填料之间的协同作用,构建更多有效导热通路,将石墨烯、氧化石墨烯和金属纳米颗粒等与h-BN进行混合(3.3小节);同样为了构建尽可能多的导热通路,在低填量下实现高导热,对h-BN基导热复合材料进行三维(3D)结构的设计和构筑(3.4小节)等。本文综述了近年来关于h-BN基导热复合材料的研究进展,简要介绍了h-BN基导热复合材料的导热机理和研究现状,进一步总结了当前存在的一些技术缺陷,并展望了h-BN基导热复合材料未来的发展方向。2导热机理固体内部的导热载体主要分为3种:电子、光子及声子。其中,电子在迁移的过程中会携带大量的能量,从而起热传导作用,但在电绝缘材料中电子会受到束缚;光子只有在透射性较好的材料中才能起热传导作用;声子是“晶格振动的简正模能量量子”,而非真正的粒子,其通过将能量依次传递给相邻的分子或原子完成热传导过程,其实质是将晶格的振动想象成是导热载体的运动、传播。对于h-BN基导热复合材料而言,只能依靠声子传热,且热导率主要取决于声子如何传播。影响声子传播的因素有很多:一方面,h-BN是一种具有类石墨烯结构的层状晶体(见图1)[4],一个单独的h-BN基面由交替的硼(B)原子和氮(N)原子构成,其中B原子和N原子通过强共价键相连接,B-N键长为1.45?,相邻六元环中心位点距离2.50?。h-BN层与层之间为AA′型堆积,c轴上B原子正对着N原子交替堆积,层间距为0.333 nm;B原子和N原子的电负性差异使得h-BN层间除