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导热六方片状氮化硼复合材料的研究进展

导热六方片状氮化硼复合材料的研究进展
东超  2023-04-08  |  阅读:430

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       随着微电子行业的不断发展,科学技术的进步,现代人们对电子设备功率的需求不断提高,高性能导热材料引起了人们的广泛关注。快速有效的冷却能力和电子和电气冷却系统的升级已成为现代小型化电子产品制备工作的关键。现阶段,加入导热性填料以提高聚合物基体的导热性,解决新一代高功率、高集成、小电子器件的散热问题,已成为主流解决方案。此外,重要的是要知道固体被分为金属、半导体和绝缘体,这三种物质都有各自的导热性特性。三者的导热性能都是用热导率来表示,同时热导率也称为“导热系数”。是指在物质内部垂直在导热性方位取2个距离1米,总面积为1平方米的平行面,,若2个平面的温度差距1K,即在1秒左右由一个平面传输至另外一个平面的热量就设定为物质的热导率。片杂化结构比单一填料体系具有更高的导热性和更快的热响应性能。

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       金属及碳材料具备很好的导热性,但由于其导热载体为电子,往往不能达到某些高精尖领域的使用要求。因为较高导电性往往容易使器件短路。此外,金属除了具备较差的电绝缘性能外,还具有较大的比重,与轻薄化发展趋势相悖。而部分以声子与光子为导热载体的金属氧化物及陶瓷也能具有相对高的导热能力,但是同样存在比重大及难加工等问题。高分子来源广泛,种类繁多,可根据具体使用要求选取化学稳定性、耐腐蚀性、耐高低温性能、溶解性能、机械强度的不同的高分子。然而,虽绝大多数聚合物具备良好的机械性、加工性及电绝缘等优良性能,但由于其导热载流子主要是声子,热导率通常很差(不超过0.5W(m·K)-1)。因此,本征高分子几乎不能用于散热领域。复合材料不仅保持了各组分的性能优点,而且通过组分间的协同补强作用,可以获得单一组成材料所不能达到的综合性能。因此,聚合物基导热材料的制备是获取各项性能优异的导热材料行之有效思路之一。

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       按导电能力的不同,导热复合材料的填料可分为导电填料(如金属、碳材料等)与绝缘填料(如大部分陶瓷材料、金属氧化物等)。导热填料与聚合物基体以分散复合、表面复合、层积复合和梯度复合等方式结合在一起,最终形成密集的导热通路,得到导热性能优异的复合材料。此外,混合填料复合材料具有优异的机械性能和热稳定性。其中,聚合物基导热材料的热导率几乎完全来自于导热填料,但是为了提高材料整体的导热性能,选择取向性好、具备刚性结构、液晶单元、分子与分子之间能产生 π-π作用、氢键、主客体作用等类型的高分子也是必要的。理论上填料填充率越高,材料整体的导热性能越好,通常情况下填充量高于50%(vol)时,热导率才能明显提升。

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      六方片状氮化硼其平面内机械强度可达500N/m,并具有优异的耐高温性。在空气中抗氧化温度为900℃,在真空中可达到2000℃。同时,h-BN也具有极高的导热率,其中理论计算的氮化硼纳米片(BNNS)的导热率高达1700~2000W.m-1.K-1。更重要的是,h-BN具有优良的绝缘性能。h-BN的带隙为5.2eV,击穿强度高达35kV/mm,可在同时需要绝缘和散热的条件下使用,这是石墨烯无法比较的。因此在现阶段上氮化硼是一种具有良好应用价值和应用前景的导热填料。


       而对于六方氮化硼h-BN基导热复合材料而言,导热的载体为声子,且热导率主要取决于声子如何传播。高的填料添加量往往会导致材料易受热开裂和抗冲抗张能力减弱等缺陷,这将在很大程度上限制材料的应用。如何在低填料负载下提高材料的导热性仍具有极大的挑战。BNNS具有高介电强度,低热膨胀系数,高热稳定性和高化学稳定性等诸多优异性质。单层或少层 BNNS的热导率是h-BN 的数倍,其面内热导率最高可达6000W(m·K)-1。


       当导热填料含量低时,聚合物基体中的填料主要以隔离形式存在,不接触,连续相仍为聚合物基体,形成类似于“海岛”的两相体系。此时,界面体积较小,且界面的热阻并不是导热系数降低的主要原因。然而,聚合物基体本身不利于声子的传播,因此最需要考虑如何有效地构建传导路径。当填料含量高时,复合材料内部界面数量将大大增加,主要包括填料/填料界面和填料/聚合物界面。此时,语音散射较严重,界面的热阻急剧增大,因此有必要通过表面改性等方法来提高h-BN与聚合物基体的匹配度。


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