三维氮化硼作为导热填料，效果更突出！

聚合物基导热材料因成本低廉且具有良好的加工特性而得到广泛应用，通常由导热填料和聚合物基质组成。一些电子器件例如5G通信和大规模集成电路等场合不仅要求散热材料具备高导热性能，还要求其具有良好的绝缘性能。

常用的绝缘导热填料有氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅等，其中，氮化硼（BN）导热系数属于较高的级别，且不会像氮化铝一样水解，以及密度只有2.2g/cm3，而且在浆料中不易沉降，因此作为导热填料有独到优势。

传统导热填料的缺陷

对于传统的聚合物基导热材料，一般是将导热填料随机分散于聚合物基体中。随着填料含量的增加，填料与填料之间逐渐形成导热通路，填料与填料间的热阻也逐渐减小，在宏观上表现为热导率的上升。

但是，由于填料间缺乏直接接触或相互作用，使得声子传输通路不畅，阻碍了热导率的进一步提升。此外，填料含量的进一步提升也极大地增加了填料-基体界面面积，而一些导热填料与基体的相容性差，两者之间缺乏导热通路，导致填料与基体间热阻的上升，影响导热性能。进一步地，相容性差还会导致填料的团聚，在基体中不容易分散，还会导致复合材料其他性能（如力学性能和绝缘性能等）的下降。

提高氮化硼填料导热的方式
在BN中，导热载体为声子，对于以BN作为导热填料的聚合物基材料，在根本上是由声子运动、传播以及散射所支配。对于BN本身来说，由于其结构比之聚合物相对规整，因此声子在BN晶体面内能够较快地传输，BN晶体尺寸越大、晶体缺陷越少，其热导率就越高。此外，在填料与聚合物基体的界面处，声子会发生散射，从而表现为填料-基体界面热阻。

BN晶体尺寸越大，缺陷越少

要实现聚合物复合材料的高导热性，一般除了开发新的高导热材料之外，还可以从以下几个方面入手：①通过适当的方法使填料搭接起来，构筑完善的导热通路；②对填料或者基体进行修饰，减小填料与基体间的界面热阻，同时提高填料在基体中的分散性。

因此，在聚合物基体中构筑三维填料网络是一种思路，这种方法能高效地构建导热通路，相比于随机分散填料体系，可以在低填料含量下表现出更高的导热性能。
氮化硼填料的三维构筑方法

杂化填料
不同填料的形状尺寸不同，混合后填料间的导热通路比单一填料更加丰富，从而更高效地构建三维导热网络。

使用杂化填料主要有以下优势：

①不同几何形状的导热填料之间存在协同效应，可使复合材料在低填料含量下实现更高的热导率，同时还能很好地保持聚合物基体的本征优势，例如优异的机械性能及加工特性；

②加入填料能够赋予复合材料其他的功能，例如阻燃性和疏水性等。
例如，纤维素纳米纤维(CNFs)具有可再生、来源丰富以及易制备为气凝胶的特点。此外，纤维素纳米纤维能够稳定无机填料，增强无机填料在聚合物基质中的分散性。因此，可将其与BN混合使用，作为导热复合材料的填料。
BN与纤维素纳米纤维(CNFs)复合
模板法一般以多孔材料为模板，在其上生长或沉积BN，从而得到三维BN骨架。模板可采用金属泡沫、石墨烯泡沫、塑料泡沫等。
模板法制备三维BN骨架
模板法所构筑的三维导热网络具有导热通路连贯、微观结构相对可控以及填料质量高的优点，但缺点是填料含量偏低。由于模板本身密度不高，在其上附着的BN含量也少。有研究利用压缩模板来提高填料含量的方法，但该方法仍然很难将填料含量提升至50%以上，故而对复合材料导热性能的提升存在较大的限制。
自组装法
自组装法是在BN的溶液体系中，引入能使体系内分子产生相互作用(分子间吸引、排斥或形成化学键等)的条件，使BN组装成3D网络的方法。
例如，氧化石墨烯(GO)在水溶液中会呈现类似液晶相的排列，利用此性质，将BN与GO一同经水热反应后，可组装成氮化硼-还原氧化石墨烯(BN-rGO)三维网络。
BN-rGO三维结构复合材料
自组装法实现较模板法更为简便，且填料含量上限也比模板法要高，但这种方法会引入粘结剂或者高导电性填料来辅助其三维网络的形成，这些物质的引入会造成导热通路的不连贯或者绝缘性能的下降。
其他方法
采用静电纺丝及热压等方法将氮化硼与聚合物定向堆叠相互连接；通过溶液法制备三元复合材料，复合材料中分布三维分离网络，这种制备方法简便、成本低，可大规模制备三维填料网络结构的复合材料，且具备良好的热稳定性；采用机械化学法，使填料与聚合物基体间形成共价键，从而实现填料的均匀分散并降低填料与基质间的界面热阻。
静电纺丝法制备的三维网络导热材料
总结
三维BN聚合物复合材料的高导热性及良好的绝缘性使得其能够应用于多种场合，包括太阳能光热发电和热界面材料等领域，有着广阔的应用前景。
然而目前还存在以下问题：
（1）由于BN的化学惰性，BN在聚合物基体中容易发生团聚，因此分散性较差，如何有效改善填料与基体间的相容性，进一步降低界面热阻仍然值得探索；
（2）杂化填料能够利用不同填料的协同效应来构建三维网络，提升导热性能的同时，不同的填料也能赋予复合材料更多性能（如阻燃性、热稳定性及疏水性等）。但也需要注意的是，不少填料本身具有强导电性（如石墨烯、炭黑等)，将BN与导电填料混合时，应考虑复合材料的电绝缘性；
（3）由模板法所构建的BN三维导热材料的填料含量难以提升；

（4）预先构建三维导热网络之后，需要采用真空浸渍法将聚合物基质灌入其中，若聚合物前驱体黏度过大，极易导致聚合物填充不完全，使复合材料中出现空泡，大大降低其导热性。因此，应合理选择聚合物基体，并不断优化复合材料的制备工艺。

总而言之，三维BN导热填料是一个重点研究方向，但怎么解决其实际制备中的一些关键性问题，真正实现生产应用，仍需要结合下游应用需求进一步探索。
参考来源：

三维氮化硼结构及其导热绝缘聚合物纳米复合材料，姜文政、林瑛、江平开、黄兴溢（上海交通大学上海市电气绝缘和热氧老化重点实验室）。