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高长径比片状h-BN(六方氮化硼)在绝缘高导热复合薄膜中的应用
2023年03月03日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:533
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随着电气设备集成程度和功率密度的不断提高,导致其运行过程中产生大量的热量聚集,严重影响了电子元器件的运行稳定性和使用寿命。因此电气设备的散热问题受到广泛关注。

电气设备的狭小空间内的主要散热途径如下:电子元器件作为发热源通过热界面材料将热量传输到导热结构件,然后通过内部空气与外壳进行热交换,最后散发到外部环境中。面对日益严峻的散热挑战,要求热界面材料不仅要具有良好的导热能力有效促进热量传输,还需要较好的机械强度和电绝缘特性以满足其在复杂环境和特殊工况下的稳定使用。

面对上述问题,利用高导热填料对聚合物基底进行填充是一种常见策略,如h-BN、Al2O3、AlN、SiC等。相比于Al2O3等材料,具有高长径比的片状h-BN面内热导率更高(300 Wm-1K-1),层状结构更有利于进行取向化处理在复合材料内部形成快速导热通道,表现出更优异的导热增强效果。

高长径比片状h-BN微观形貌

高长径比片状h-BN微观形貌

市售h-BN粉末规格不一,横向尺寸通常在几百纳米到几十微米范围内,厚度通常为几百纳米。在h-BN填充的聚合物基复合材料中,考虑到提升片状h-BN的高长径比、h-BN在聚合物基体中的分散性、复合材料制备工艺的适用性等,通常需要对片状h-BN进行剥离和表面功能化处理。此外,片状h-BN的取向排列需要通过特定制备工艺实现,如真空辅助抽滤、冰模板法、热压法、层压法等。这些特定工艺通过外力(真空作用、压力等)诱导使高长径比的片状h-BN在复合材料内部顺序排列和有序组装,沿特定方向构建了多个声子传输的“高速公路”,有效降低了接触热阻和界面热阻,最终实现复合材料在某个方向的导热效果增强。

复合材料内部片状h-BN取向化排列结构示意图

复合材料内部片状h-BN取向化排列结构示意图

真空辅助抽滤工艺设备简单、操作方便,被广泛应用于片状h-BN的取向化排列。片状h-BN分散液和聚合物分子溶液简单混合后置于真空抽滤装置当中,待溶剂被抽干之后即可在微孔滤膜上获得片状h-BN填充的复合薄膜。常用聚合物包括水溶性纤维素、纤维素纳米纤维、聚乙烯醇等。真空抽滤过程中,具有高长径比的片状h-BN在真空作用诱导下有序组装形成规则层状结构,片状h-BN通过其表面官能团与聚合物分子进行了有效连接,能够赋予复合材料较佳的力学强度,使其经过多次反复折叠之后仍具有良好的柔韧性。高度有序的层状结构当中,h-BN片与片之间产生较大的接触面积并且形成有效接触,极大的降低了热量传输过程中的阻碍作用,使得热量能够快速高效地在有序结构形成的平面内进行输运,因此高h-BN填充量的复合薄膜平面内导热性能可超过100 Wm-1K-1

相比于无定形的聚合物分子,聚合物纳米纤维不仅能够在h-BN片与片之间形成有效连接,更重要的是增加了h-BN片和片之间的有效接触面积,降低了接触热阻和界面热阻。因此在同等填充量下,h-BN/聚合物纳米纤维复合材料平面内热导率一般要更优。当片状h-BN填充量达到50 wt%时,真空抽滤的h-BN/聚合物纳米纤维复合材料平面内热导率能够同铝合金相媲美(高达145.7 Wm-1K-1),比片状h-BN随机分布的复合材料整整高出一个数量级,相比于纯的聚合物薄膜导热性能提升更是超过100倍。当片状h-BN填充量高达90 wt%时,真空抽滤的h-BN/无定形聚合物分子复合材料平面内热导率仅能达到120 Wm-1K-1

片状h-BN取向化排列的复合材料截面微观形貌

片状h-BN取向化排列的复合材料截面微观形貌

热压工艺主要适用于热塑性聚合物复合材料的制备。首先将片状h-BN和热塑性聚合物(如热塑性聚氨酯等)按照比例通过球磨、机械搅拌等方式混合均匀,随后将混合物料置于热压设备中在一定温度下施加适当压力进行成型,最终制备得到h-BN/热塑性聚合物复合材料。热压制备过程中,高填充量的片状h-BN在热压诱导下逐渐调整位置和取向,形成h-BN片层有序堆叠的层状结构,构建了热量传输的高速通道。当片状h-BN填充量达到90 wt%时,复合材料的平面内热导率可达40 ~ 50 Wm-1K-1。当h-BN填充量相同时,真空辅助抽滤工艺制备的复合薄膜平面内热导率要高于热压工艺制备的复合薄膜,这主要是受到片状h-BN填料长径比以及h-BN片与片之间有效接触面积的影响。

热压工艺目前也被扩展应用于h-BN/聚合物混合凝胶制备复合薄膜领域。首先将片状h-BN与聚合物纳米纤维分散液或聚合物溶液混合制备得到凝胶,随后通过热压处理去除凝胶当中溶剂,同时诱导片状h-BN取向化排列,形成高度有序的均匀层状结构,进而提升复合薄膜平面内的导热性能。

层压工艺的应用主要是受到千层饼结构和生产工艺的启发。首先通过静电纺丝等技术制备得到网络结构的聚合物纤维,随后将功能化处理的片状h-BN分散液均匀喷涂到纤维表面,片状h-BN通过其表面官能团与纤维表面官能团之间的相互作用牢固附着在纤维表面,得到h-BN涂布的聚合物纤维。这种纤维可作为制备复合薄膜的原材料,经过热压处理后诱导片状h-BN有序排列,实现更高的散热效率。由h-BN涂布的聚合物纤维层压制备的复合薄膜通常具有较多的微小空隙,同时h-BN的填充量也因喷涂工艺受到限制,因此其平面内热导率最高只有20 Wm-1K-1左右。

在h-BN/聚合物高导热电绝缘复合材料领域,取向化处理工艺的应用诱导高长径比的片状h-BN有序排列形成高度有序的层状结构,有效地促进了复合材料平面内的热量传输,使复合薄膜实现了超过100 Wm-1K-1的超高平面内热导率。这类复合材料在实际热管理场景中表现出巨大的应用潜力,有望克服和适应现代电子工业中电子元器件集成化带来的散热挑战,是未来发展的重要方向。


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