六方氮化硼粉的良好性能及散热优势

氮化硼是氮化物中最受人重视的材料之一，它有六种晶型，最常见的有立方氮化硼(c-BN)及六方氮化硼(h-BN)，其中c-BN和金刚石类似，主要用于制作切割工具，热导率虽强但成本较高；h-BN是有类似石墨的层状结构和晶格参数的白色粉末，也被称为白石墨。虽然导热系数低于氮化铝，但由于不会水解，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。

除此之外，h-BN绝缘电压为30~40kv/mm，即使在1000℃的空气下使用也能保有很高的绝缘特性，且耐击穿电压为3 kv/mm（是氧化铝两倍），故常用来搭配氧化铝、氮化铝、或氮化硅等添加在树脂中，制成绝缘导热用复合材料。

六方氮化硼粉的良好性能及散热优势

不过要发挥h-BN性能，主要有以下2个方面都需要注意：

1.纯度

首先是纯度，h-BN颗粒的各方面性能受纯度影响较大，因此制备高纯度的h-BN颗粒是保证其广泛应用的前提，尤其要注意的是游离硼的含量——h-BN粉常会有不安定的含硼化物残留，含硼化物是以氢键与h-BN粉键结，因氢键容易被破坏，使硼离子游离并与水分子的氢氧根离子结合成H3BO3(硼酸），造成产品污染。因此游离硼的含量越低越好，越低的游离硼意味h-BN粉越稳定。目前直接影响纯度的因素有烧制条件以及产品后处理等。

2.形貌

其次，由于填料的形状与长径比都会影响复合材料导热性能（常见的有纤维状、片状、球状等），因此导热填料形貌的抉择也很关键。当前使用的h-BN填料多为球形和片状，其中球形填料可以带来更高的填充量，理论上填充率越高材料整体的导热性能越好，因此h-BN球形填料是橡胶塑料复合材料的热门候选导热填料；与此同时，片状填料也有自己的优势，它具有高比表面积，因此有利于构成声子导热通道，提升体系热导率，同样也是导热领域的大热门选择。

六方氮化硼粉的良好性能及散热优势

片状hBN和球形hBN粉体

那到底是球形好还是片状好呢？即使选择困难症也没关系，因为两者完全可以一起用。单独使用片状h-BN时，由于其形状不规则，垂直晶面方向的热导率会远小于平行晶面方向热导率，导致氮化硼高度填充到聚合物中时部分片晶取向垂直于理想热导方向，而且填充率也较低，不能充分利用h-BN的导热性能。

单独使用球型h-BN虽能带来更高的填充量，但也并非是添加量越大复合材料导热能力就越优秀。根据相关研究表明，球形氮化硼作为填充料，其填充量对硅树脂导热性和热阻的影响。随着氮化硼的添加，硅树脂先达到一个导热峰值，此时填充量最佳，随着填充量逐渐添加，复合材料的热阻加大，硅树脂的导热能力又有所下降。

但即便是最佳的填充量，h-BN球形颗粒在基体中呈现的依旧是“孤岛状”分布（如下图左），颗粒与颗粒之间存在许多影响导热效果的空隙。但如果能加入适量充当“桥梁”的h-BN片状填料，就能填充到球形氮化硼之间的空隙中，连接相邻的BN颗粒，为BN提供更多的接触点，形成导热网络，进一步提升导热效果（下图右）。

六方氮化硼粉的良好性能及散热优势六方氮化硼粉的良好性能及散热优势

图片来源：Saint-Gobain

 

总结

综上所述，h-BN由于其良好的导热性能与绝缘性能，是聚合物基导热复合材料的理想填料之一。目前看来，h-BN片层剥离、球形颗粒的制备以及在基体中的取向排列情况，均对复合材料导热性能起决定性作用。除此之外，BN颗粒表面处理工艺研究也是非常重要的，千万不可以忽视噢。