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氮化硼为何能成为制备导热复合材料的宠儿？

信息来源：本站 | 发布日期： 2023-12-20 08:14:33 | 浏览量：360826

摘要：

氮化硼问世于100多年前，是一种人工合成的化合物，由等量的硼（B）原子和氮（N）原子构成。B和N的电负性相差较大，在层内存在较强的共价键，每层的原子被上层和下层的原子所重叠，各层之间存在较弱的范德华力。氮化硼主要有类金刚石晶型立方氮化硼（c-BN）、类石墨晶型六…

氮化硼问世于100多年前，是一种人工合成的化合物，由等量的硼（B）原子和氮（N）原子构成。B和N的电负性相差较大，在层内存在较强的共价键，每层的原子被上层和下层的原子所重叠，各层之间存在较弱的范德华力。

氮化硼主要有类金刚石晶型立方氮化硼（c-BN）、类石墨晶型六方氮化硼（h-BN）、斜方晶型氮化硼（r-BN）和纤锌矿晶型氮化硼（w-BN）4种晶型。其中，立方氮化硼和六方氮化硼是比较常见的晶型。

立方氮化硼通常为黑色、棕色或暗红色闪锌矿结构晶体，杂化方式为sp³杂化，其硬度仅次于金刚石，是一种超硬材料，且具耐磨损、抗腐蚀，具有良好的导热性。

六方氮化硼是以sp²杂化方式连接的二维原子晶体，与石墨结构相似，由B原子和N原子交替排列组成的无限延伸的六边形蜂窝结构，是陶瓷材料中导热性能最好的填料之一。

石墨烯和六方氮化硼的晶体结构示意图

相比于一些导热系数较低的氧化物(Al₂O₃、SiO₂)，非氧化物类陶瓷填料自身具有较强的原子键，能够有效减弱因晶格缺陷引起的声子散射现象，从而具有较强的导热性能。氮化硼具有带隙宽、导热性好、热稳定性高、膨胀系数低、介电性能优异、化学性质稳定等特点。

制备导热复合材料的超级选手

制备高导热复合材料的关键是如何在聚合物基体中形成理想的取向结构。通常需要填料微粒具有非球形结构特征（如片状、管状或棒状等），并对其施加一定外力场作用，如电场、磁场或机械剪切作用等，填料微粒经定向有序排列后能够实现热量沿取向方向快速传导。氮化硼作为典型的二维片状材料，在制备高导热绝缘聚合物基复合材料研究中受到很多关注。

氮化硼的二维片层结构使其具有各向异性，面内和面间的导热系数差异很大，采用特定的方法促使氮化硼在某一方向取向可以提供更有效的传热通道，进而提高材料的导热系数。一些排布技术，如自组装、模板成型、注射模塑、刮刀成形、静电纺丝、真空辅助组装、外场（电场或磁场）诱导取向等都可以获得氮化硼有取向结构的聚合物复合材料。含有氮化硼取向结构的填充聚合物在取向方向上导热性能明显得到提高。

日本迪睿合株式会社已经商业化生产兼具高导热性和柔软性的硅胶型导热片“ZX11Ｎ”，该产品采用一种独特取向技术，根据取向将具有不同导热系数的氮化硼填料对齐排列，实现了导热片的高导热性，导热系数为11Ｗ/(ｍ·Ｋ)，具有硅树脂基材和氮化硼填料的绝缘性能。

不同填料含量复合材料的导热路径

复合填料搭配，实现导热1+1>2

与单一填料相比，在二维BN体系中引入不同维度的填料，与BN之间通过点−面“包覆”，线−面“桥接”以及面−面“相连”的方式混合，更有利于材料内部导热通路的构建，热量沿着填料之间快速传递，从而使复合材料的导热性能更加优异。

1）不同尺寸填料

不同尺寸填料间的协同作用可以使导热通路的稳定性增强，故可以有效增强复合材料的导热性能。

微米级和纳米级的BN颗粒作为导热填料，在复合材料内部建立了有效的导热网络，其中微米级的BN颗粒在复合材料中形成了主要的热传导路径，纳米级BN颗粒在微米级BN颗粒之间起到连接作用，增加了导热通路，故而复合材料获得了高热导率。

氮化硼的扫描电镜图像：ａ微米级、ｂ纳米级

2）多种维度填料混合

不同填料之间的协同作用能够有效提高复合材料的导热性能。

（a）对于单一的氮化硼填料而言，其相同的结构和尺寸会在聚合物基体内部形成大量空隙，空气的导热系数极低，从而影响导热性能的提升。若将BN与其他维度的填料复合，利用多种填料之间的协同作用来提升导热填料在聚合物基体中的填充密度，不仅有利于导热路径的形成，而且还能对复合材料综合性能的提升起到良好的促进作用。

（b）二维BN与零维填料的复合如碳化硅(SiC)、氧化铝(Al₂O₃)等，可以提高填料的整体填充率，有利于导热网络的形成。片层结构的氮化硼的成本高于球形Al₂O₃，与Al₂O₃杂化复合可以提高导热性能的同时，还可降低氮化硼填充聚合物复合材料的成本。

（c）一维填料具有管状或者线状的结构，如碳纳米管(CNT)、纳米线等。与二维BN复合时，能够在导热网络的构建中起到“桥梁”的作用，将相邻的BN连接起来，这种协同作用不仅能降低复合材料中的界面热阻，而且对导热网络的构建十分有利。

（d）二维BN与二维填料复合的研究则主要以氧化石墨烯(graphene oxide，GO)居多，因为GO不仅能与BN表面发生较强的界面相互作用，使得复合填料的结构稳定，而且GO与BN具有匹配较好的声子谱，界面处产生的声子散射较弱，界面热阻较低，更有利于导热性能的提升。

表：BN基多元填料填充导热复合材料的研究成果

从表中的研究成果可知，复合填料的协同作用能够显著改善材料的导热性能，可以满足现阶段电力电子领域对材料导热性能的要求。

终端应用场景丰富

氮化硼是一种高效的导热填料，具有优异的导热性能、绝缘性能和化学稳定性，被广泛应用于高温、高压、高速、高精度的导热领域，例如电子器件、航空航天、新能源汽车、化学设备等高散热需求行业。

在电子器件领域，可以用作导热板、导热膏、导热凝胶、散热器等材料，有效降低电子器件的温度，可以应用在智能手机、智能手表、笔记本电脑、无人机等消费类智能设备终端，稳定其性能，提高使用寿命。

在航空航天领域，可以用于制造高温结构材料、导热材料、热障涂层等，应用在卫星、探测器、空间站等，提高航空航天器的性能和安全性。

图片源自pixabay

在新能源汽车领域，可以满足电机、电控、电池等汽车系统的散热需求，提高汽车的性能和经济性。

在化工设备领域，可以制造高温反应器、催化剂、传热设备，提高化工设备的效率和安全性。

小结

随着电气系统和电子器件性能的快速发展，传统的聚合物材料已不能满足热管理领域的高要求，结合聚合物的优点和填料的高导热性的复合材料被认为是理想的散热解决方案。整体来看，聚合物基氮化硼复合导热材料的制备越来趋于成熟，发展也越来越多元化，但是制备的高成本和低产量限制了其快速应用发展。未来，实现氮化硼类导热材料实际大规模生产应用才是研究的重点。

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