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如何提高h-BN/聚合物复合材料热导率
2023年03月08日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:482
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电气设备的散热挑战对聚合物基导热复合材料的导热性能提出了更高要求。综合考虑复合材料的传热原理、制备方法以及使用场景等因素,目前向聚合物基体中添加结晶度更高、导热性能更好的无机粉体填料,是聚合物基导热复合材料热导率实现跨越式增长的高效方法之一。

在此以h-BN导热填料为例,讨论h-BN/聚合物复合材料热导率的影响因素和提升策略。在h-BN/聚合物复合材料中,填料、填充形式以及填料与聚合物基体的界面是影响其导热性能的重要因素。

h-BN作为导热填料是h-BN/聚合物复合材料内部热量传输的“高速公路”,其形状、尺寸、填充量等都对复合材料热导率产生影响。

导热填料的形状主要包括片状、球状、棒状、无规则形状等。其中,h-BN填料的常用形态为片状和球状。通常情况下球状h-BN填充的复合材料热导率表现为各向同性。而片状h-BN填料本身热导率就表现为各向异性,因此可以通过特定的制备工艺将h-BN均匀且有序地分散在聚合物基体中,从而实现复合材料在某一方向上的导热性能增强。

导热填料尺寸的选取要综合考虑h-BN在聚合物基体中的分散性、h-BN之间的界面热阻等制约因素。纳米或微米尺度的h-BN填料一般在聚合物基体中分散效果良好,容易均匀分布,从而赋予h-BN/聚合物复合材料较佳的机械性能。但是当h-BN之间的界面热阻限制复合材料热导率增长时,增加h-BN的尺寸能够有效降低接触热阻,使复合材料热导率进一步增加。


h-BN填充量对复合材料热导率的影响通常可分为三个阶段。第一阶段时,聚合物基体占比很高,复合材料热导率随h-BN填充量增加而缓慢增加,整体表现为线性增长趋势。这种缓慢增长趋势主要归因于在h-BN填充量较低时,聚合物基体作为热的不良导体将h-BN之间相互隔离,复合材料内部无法构建高效的导热通道,热量在复合材料内部仍然主要依靠聚合物基体进行传输,因此对复合材料的导热增强效果较为微弱。第二阶段时,随着h-BN填充量持续增加,h-BN之间有效接触逐渐构建完整的高速导热通路,复合材料热导率快速增加,整体表现为非线性增长趋势。这种现象可通过逾渗理论进行解释,当h-BN填充量达到逾渗临界值时,h-BN之间在复合材料内部有效构建了导热网络,为声子等导热载体的快速传输提供了有效通道。同时随h-BN填充量增加,该导热网络的完整性显著增强,极大地提高了复合材料的热传输效率。因此,形成逾渗网络对提升复合材料导热性能具有关键作用。第三阶段时,复合材料热导率随着h-BN填充量进一步增加而逐渐降低。这是因为h-BN填充量非常高时,h-BN之间的界面快速增加,热量传输时需要克服大量的界面热阻,因此复合材料导热性能受到界面热阻的制约表现为下降趋势。

h-BN作为导热填料在聚合物基体中的分布可分为随机分布、单轴取向、双轴取向、三维网络四种类型。

h-BN填料在聚合物基体中的随机分布可通过熔融混合、溶液混合等简单制备方法实现。h-BN填料随机分布的复合材料可通过选择结晶程度更好、热导率更高的h-BN以及提高h-BN填充量来提升导热性能。但是一味地增加h-BN填充量会产生很多弊端:首先当h-BN与聚合物之间配比失调时,会导致复合材料难以加工和成型,同时均匀性大幅度降低。其次,当h-BN填充量增加到一定程度时,复合材料的整体机械性能会被牺牲掉很多,意味着高填充量的复合材料热导率虽然提升,但是机械性能大幅度下降。

单轴取向和双轴取向是指导热填料在外力诱导下按照特定方向顺序排列。相比于导热填料的随机取向,单轴取向和双轴取向在复合材料内部构建了高效导热通道,降低了导热填料的逾渗临界值,因此在相同填充量下经过取向化处理的复合材料导热性能更优异。h-BN填料的取向化处理通常可通过冰模板法、真空辅助抽滤法、静电纺丝法等方式实现,且对复合材料热导率提升效果明显,因此更具研究价值和应用价值。

由导热填料构筑的三维网络如蜂窝孔结构、年轮结构等,可在复合材料内部形成热量传输的高速通道,因此将导热填料有效互连构建三维导热网络是聚合物基复合材料导热性能大幅度提升的重要途径之一。结合复合材料的三维空间模型、数学模型、热力学和动力学模型,同时控制制备工艺,在复合材料内部构建h-BN填料有效互联的三维网络能够很大程度上降低逾渗阈值,制备得到导热性能增强的电绝缘导热复合材料。

增强填料与聚合物基体的界面相容性也是提高复合材料热导率的有效途径之一。在热量传输过程中,复合材料内部声子的不间断传输是影响其宏观热导率的关键。聚合物和h-BN填料都是声子传输载体,为保证声子传输的连续性,要求聚合物和h-BN填料之间具备良好的界面相容性。通常对导热填料进行表面功能化处理是提高其与聚合物界面相容性的有效措施。导热填料经过表面功能化处理后,不仅在聚合物基体中的分散效果更好,更重要的是能够增加与聚合物的接触面积,避免产生空气所填满的空隙,有效降低界面热阻。

综上所述,通过控制填料形态、填充形式以及填料与聚合物基体的界面,结合理论计算模型,更多种类和更高热导率的h-BN/聚合物复合材料正在被开发,期望能够面对和克服集成化和高功率带来的散热挑战。


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