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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
日期:2021-12-27    浏览次数:
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采用添加(jia)导热(re)(re)填料的(de)方(fang)式来提高(gao)(gao)高(gao)(gao)分(fen)子聚合物基(ji)体的(de)导热(re)(re)性能,来解(jie)决新一代高(gao)(gao)功率、高(gao)(gao)度集成、体积更小的(de)电子产品器件(jian)的(de)散热(re)(re)问题,已经(jing)是主(zhu)流的(de)常用方(fang)案。氮(dan)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。

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氮化(hua)硼粉

复合(he)型导热(re)高分子材料的导热(re)机理

目前(qian),复合型导热(re)高分子材料的导热(re)机(ji)理主要包括导热(re)路(lu)径(jing)理论(lun)导热渗滤

理论(lun)和(he)热弹(dan)性系数(shu)理论(lun)

1)导热路径理论

导热(re)(re)(re)路径(jing)理论是最(zui)重要且(qie)用途最(zui)广(guang)的理论,其通过导热(re)(re)(re)填(tian)料与聚合物(wu)基(ji)体的接(jie)触来形成路径(jing)。由于聚合物(wu)基(ji)体的巨大热(re)(re)(re)阻,热(re)(re)(re)流将沿着热(re)(re)(re)阻最(zui)小的导热(re)(re)(re)填(tian)料通道传递,即热流想方设法从导(dao)热填料“搭的桥”通过。

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热传导填料在(zai)聚(ju)合(he)物基体中(zhong)的分布

导(dao)热(re)填料添加量较低时,填料随(sui)机分散(san)在聚合物基(ji)质中(zhong)(此聚合物(wu)基质为(wei)连续相(xiang),而(er)导热填料为(wei)分(fen)散相(xiang),类似于海(hai)岛(dao)状结构),填料间很少相(xiang)互接(jie)触(chu)和相(xiang)互重叠(die),难以形成有效的(de)导热通道(dao)和网络(luo)。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(jin)一(yi)步(bu)添加导热填料(liao),填料(liao)开始相互(hu)接触,并(bing)且在聚合物复合材(cai)料(liao)中会(hui)(hui)形(xing)成(cheng)更多的(de)导热链或(huo)网(wang)络(聚合物基质和(he)填料(liao)都为连续(xu)相),导热通路(lu)一(yi)通,这种情况(kuang)下复合材(cai)料(liao)的(de)热导率就会(hui)(hui)明显(xian)提(ti)升。

2)导热渗滤理论

这个理论是源自导电(dian)聚(ju)合物的渗(shen)滤现象,即(ji)在高(gao)分子树脂(zhi)基体与导电(dian)填(tian)料(liao)之间有(you)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(yan)究表明,导(dao)(dao)热(re)(re)复(fu)合材料(liao)的(de)热(re)(re)导(dao)(dao)率(lv)通常是随(sui)着导(dao)(dao)热(re)(re)填料(liao)的(de)增(zeng)加而(er)缓慢(man)提升的(de),并不能完全适用,目(mu)前,渗(shen)滤行为仅在(zai)一(yi)些具有高导(dao)(dao)热(re)(re)填料(liao)例如碳(tan)纳米管(CNT)的(de)填充(chong)的(de)聚合(he)物复合(he)材料(liao)中发现(xian)。

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碳纳(na)米管

3)热弹性系数理论(lun)

通过分(fen)析各种无机物质(zhi)的热特性(xing),非金属(shu)材料通常依(yi)靠声子的传(chuan)动来(lai)传(chuan)递热(re)量,因(yin)此(ci)复合材料导热(re)率的变化与经典(dian)振动和弹性(xing)力学(xue)中的弹性(xing)系数和模(mo)量非常相似(si)。材料本(ben)身的(de)热导(dao)率越高,热弹性系数和(he)声子传递效率越高,可以将材料热导率(lv)的提(ti)高(gao)视为高(gao)导热填料(liao)对聚合(he)物基(ji)体的复合(he)增强作用(yong)。

氮化(hua)硼的结(jie)构特点

氮化硼(peng)拥有类似石墨的片层结构的晶体,因此可(ke)以(yi)像(xiang)石墨获(huo)得单层石墨烯一样获(huo)得单层氮(dan)化硼(peng)或者是少层的氮(dan)化硼(peng)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(xing)质。

实际的应用(yong)中,h-BN的(de)结(jie)构往(wang)往(wang)是存在着(zhe)缺陷(xian)(xian)的(de),这(zhei)些缺陷(xian)(xian)会严重影响(xiang)到(dao)声子(zi)的(de)传(chuan)播。研究表明h-BN与石(shi)墨烯类似,薄(bo)而(er)宽的(de)结(jie)构往(wang)往(wang)晶格(ge)缺陷(xian)(xian)较少,所以这(zhei)种的(de)氮化硼的(de)本(ben)征导热率(lv)高,相反厚而(er)窄(zhai)结(jie)构的(de)本(ben)征导热率(lv)会低。另一方(fang)面,声子(zi)在界面处会发(fa)生散射(she),这(zhei)种散射(she)的(de)存在导致了(le)声子(zi)的(de)传(chuan)播被极(ji)大地阻碍。因此要想发(fa)挥h-BN的(de)高导热性能,首(shou)先要获得片层薄(bo)且大的(de)纳米氮化硼片。

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 h-BN的结(jie)构

氮化硼/聚合物导热复(fu)合材料导热性能的提(ti)升

目前,制备的高(gao)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(wu)规(gui)分布填料三维(3D)排列分布

1)填料无规分布

填料(liao)无规分布通(tong)过共混(hun)、表面(mian)改(gai)性等方法提(ti)高复合(he)(he)材料(liao)的热导率。共混(hun)是(shi)通(tong)过较为简单的物理方法将几种材料(liao)均(jun)匀混(hun)合(he)(he)成(cheng)型,并(bing)由此提(ti)高或者改(gai)变材料(liao)性能。材料(liao)的表面(mian)改(gai)性可以实(shi)现材料(liao)的新(xin)的性能及新(xin)的应用,与(yu)石(shi)墨烯(xi)相比(bi),h-BN缺乏有(you)效(xiao)的化学(xue)活性位点,这使得h-BN的(de)(de)表面(mian)改性更加困难,目(mu)前的(de)(de)研(yan)究最为代(dai)表性的(de)(de)两种(zhong)就(jiu)是共价(jia)修饰(shi)及非共价(jia)修饰(shi),比如引(yin)入一些拥有(you)特殊性质的(de)(de)官(guan)能团。

详细内容可见以下文章:怎样才能做好(hao)六方氮(dan)化(hua)硼纳米片?

2)填料三维(3D)排列分布

近(jin)些(xie)年(nian)来(lai)的研究热(re)点与(yu)难点主(zhu)要集中(zhong)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(mo)板法,更多内(nei)容可见以下文(wen)章:三维(wei)氮化硼(peng)作为导(dao)热(re)填料,效果更突出(chu)!

今天我们将要介绍的是磁取向法

受到磁性材料在磁场(chang)中可以(yi)定(ding)向排列的启发,科研人员使用磁性(xing)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(dao)高(gao)顺向(xiang)3D结构。

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制备磁化h-BN及(ji)其在外加(jia)磁场(chang)作用(yong)下取向(xiang)制备各向(xiang)异(yi)性(xing)复(fu)合材料过程示意(yi)图

首先要合成(cheng)磁性(xing)纳米粒(li)子(zi),例如,在水(shui)溶液中,最有(you)效简单(dan)的化(hua)学合成(cheng)磁性(xing)纳米粒(li)子(zi)Fe3O4的(de)途径是化学(xue)共沉淀(dian)法(fa),进行沉淀(dian)反(fan)应后,析出不溶性(xing)物质(zhi),反(fan)复洗涤并(bing)脱(tuo)水得到(dao)所需的(de)Fe3O4磁性纳米粒子(zi)。通过修(xiu)饰氮(dan)化(hua)硼(peng)表面(mian),使得氮(dan)化(hua)硼(peng)作(zuo)为(wei)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(zhu)要(yao)时因为BNNSs具有更大(da)的表(biao)面(mian)积(ji),在混合溶液中(zhong)能(neng)更加(jia)均(jun)匀(yun)的分散,利(li)于表(biao)面(mian)均(jun)匀(yun)的磁(ci)化。

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法(fa)向(xiang)方(fang)向(xiang)上(shang)磁(ci)场(chang)作用(yong)示意图(tu)及不同磁(ci)场(chang)强(qiang)度作用(yong)下复(fu)合材(cai)料取向(xiang)形貌

这种(zhong)方法(fa)的(de)一大(da)优势是,根据磁场(chang)强度不同,填料呈现(xian)出取(qu)向排(pai)列不同的(de)性质,可以影响导热通(tong)路的(de)设(she)计。通(tong)过(guo)改变(bian)磁场(chang)的(de)强度、形状、时间,得到多(duo)种(zhong)变(bian)化的(de)导热复(fu)合材料,来满足复(fu)杂制(zhi)件的(de)不同热管理需(xu)(xu)求,对于(yu)散热需(xu)(xu)求越来越复(fu)杂的(de)电子领域,可以实现(xian)更加精细控(kong)制(zhi)的(de)热管理,具有巨大(da)的(de)应用价值。


参考来源:

磁(ci)调控制备热(re)管理氮(dan)化硼/高分子复合材料,邝(kuang)凤(feng)霞(郑(zheng)州大学)。


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