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如何进一步提升氮化硼填料的导热作用?试试磁性调控

信息来源:本站 | 发布日期: 2021-12-21 13:00:58 | 浏览量:661389

摘要:

采用添加导热填料的方式来提高高分子聚合物基体的导热性能,来解决新一代高功率、高度集成、体积更小的电子产品器件的散热问题,已经是主流的常用方案。氮化硼(BN)是目前导热最高的绝缘导热材料,受限于高性能粉体的制备生产以及应用技术还不够成熟,且价格偏高,目前市…

采用添加导热填料的方式来提高高分子聚合物基体的导热性能,来解决新一代高功率、高度集成、体积更小的电子产品器件的散热问题,已经是主流的常用方案。氮化硼(BN)是目前导热最高的绝缘导热材料,受限于高性能粉体的制备生产以及应用技术还不够成熟,且价格偏高,目前市场还处于初期阶段,但国内外关于氮化硼作为导热填料的研究一直是备受关注的热点。

氮化硼粉

复合型导热高分子材料的导热机理

目前,复合型导热高分子材料的导热机理主要包括导热路径理论、导热渗滤

理论和热弹性系数理论。

(1)导热路径理论

导热路径理论是最重要且用途最广的理论,其通过导热填料与聚合物基体的接触来形成路径。由于聚合物基体的巨大热阻,热流将沿着热阻最小的导热填料通道传递,即热流想方设法从导热填料“搭的桥”通过。

热传导填料在聚合物基体中的分布

导热填料添加量较低时,填料随机分散在聚合物基质中(此时聚合物基质为连续相,而导热填料为分散相,类似于海岛状结构),填料间很少相互接触和相互重叠,难以形成有效的导热通道和网络。在这种情况下,填料间搭的“桥”不能互通,热流根本走不通,也就只好还是从基体间通过,此时复合材料的热导率跟基体的固有热导率并无多大差别。

随着进一步添加导热填料,填料开始相互接触,并且在聚合物复合材料中会形成更多的导热链或网络(聚合物基质和填料都为连续相),导热通路一通,这种情况下复合材料的热导率就会明显提升。

(2)导热渗滤理论

这个理论是源自导电聚合物的渗滤现象,即在高分子树脂基体与导电填料之间有一个“渗滤阈值”,当导电填料的添加体积分数达到一个临界值时,在渗透转变点附近,聚合物复合材料的电导率急剧增加,增加了数百倍甚至数千倍。

但是研究表明,导热复合材料的热导率通常是随着导热填料的增加而缓慢提升的,并不能完全适用,目前,渗滤行为仅在一些具有高导热填料例如碳纳米管(CNT)的填充的聚合物复合材料中发现。

碳纳米管

(3)热弹性系数理论

通过分析各种无机物质的热特性,非金属材料通常依靠声子的传动来传递热量,因此复合材料导热率的变化与经典振动和弹性力学中的弹性系数和模量非常相似。材料本身的热导率越高,热弹性系数和声子传递效率越高,可以将材料热导率的提高视为高导热填料对聚合物基体的复合增强作用。

氮化硼的结构特点

氮化硼拥有类似石墨的片层结构的晶体,因此可以像石墨获得单层石墨烯一样获得单层氮化硼或者是少层的氮化硼纳米片(BNNSs),单独的h-BN基面可以等效为单层的石墨烯,在h-BN片层中,N原子和B原子通过强共价键连接,这点与石墨烯相似,与之不同的是这种共价键中还包含一些类似于离子键的性质。

在实际的应用中,h-BN的结构往往是存在着缺陷的,这些缺陷会严重影响到声子的传播。研究表明h-BN与石墨烯类似,薄而宽的结构往往晶格缺陷较少,所以这种的氮化硼的本征导热率高,相反厚而窄结构的本征导热率会低。另一方面,声子在界面处会发生散射,这种散射的存在导致了声子的传播被极大地阻碍。因此要想发挥h-BN的高导热性能,首先要获得片层薄且大的纳米氮化硼片。

 h-BN的结构

氮化硼/聚合物导热复合材料导热性能的提升

目前,制备的高导热 BN/聚合物复合材料按照填料分布状态主要分为两类:填料无规分布与填料三维(3D)排列分布。

(1)填料无规分布

填料无规分布通过共混、表面改性等方法提高复合材料的热导率。共混是通过较为简单的物理方法将几种材料均匀混合成型,并由此提高或者改变材料性能。材料的表面改性可以实现材料的新的性能及新的应用,与石墨烯相比,h-BN缺乏有效的化学活性位点,这使得h-BN的表面改性更加困难,目前的研究最为代表性的两种就是共价修饰及非共价修饰,比如引入一些拥有特殊性质的官能团。

详细内容可见以下文章:怎样才能做好六方氮化硼纳米片?

(2)填料三维(3D)排列分布

近些年来的研究热点与难点主要集中在有3D骨架结构的导热复合材料上。减少填料和高分子基体之间的界面数量,降低界面热阻,是提高导热率的关键,有序的3D结构不仅可以实现减少界面数量,还可以充当导热通路,使得大部分能量沿着导热骨架传递,低含量的导热填料的复合材料也能够够获得较高的导热率。

构建3D骨架的常见方法主要有模板法,更多内容可见以下文章:三维氮化硼作为导热填料,效果更突出!

今天我们将要介绍的是磁取向法。

受到磁性材料在磁场中可以定向排列的启发,科研人员使用磁性纳米颗粒吸附到h-BN表面,通过外加磁场使得h-BN取向,得到高顺向3D结构。

制备磁化h-BN及其在外加磁场作用下取向制备各向异性复合材料过程示意图

首先要合成磁性纳米粒子,例如,在水溶液中,最有效简单的化学合成磁性纳米粒子Fe3O4的途径是化学共沉淀法,进行沉淀反应后,析出不溶性物质,反复洗涤并脱水得到所需的Fe3O4磁性纳米粒子。通过修饰氮化硼表面,使得氮化硼作为强聚电解质,在整个pH范围内保持负电荷,合成后的磁性 Fe3O4 纳米颗粒主要吸附在经过处理的氮化硼表面上,使氮化硼达到磁化效果。

氮化硼片数越多,磁化效果越好,主要时因为BNNSs具有更大的表面积,在混合溶液中能更加均匀的分散,利于表面均匀的磁化。

法向方向上磁场作用示意图及不同磁场强度作用下复合材料取向形貌

这种方法的一大优势是,根据磁场强度不同,填料呈现出取向排列不同的性质,可以影响导热通路的设计。通过改变磁场的强度、形状、时间,得到多种变化的导热复合材料,来满足复杂制件的不同热管理需求,对于散热需求越来越复杂的电子领域,可以实现更加精细控制的热管理,具有巨大的应用价值。

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