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      方氮化硼:如何打破導熱復合材料的“不可能三角”

      信息來源:本站 | 發布日期: 2024-05-17 08:46:28 | 瀏覽量:32917

      摘要:

      隨著電子信息時代的發展,高性能的導熱材料備受關注,導熱復合材料的制備是獲取各項性能優異的導熱材料行之有效的思路之一。導熱填料與基體以分散復合、表面復合、層積復合和梯度復合等方式結合在一起,形成密集的熱通道,得到導熱性能優異的復合材料。隨著電子設備的”輕薄…

      隨著電子信息時代的發展,高性能的導熱材料備受關注,導熱復合材料的制備是獲取各項性能優異的導熱材料行之有效的思路之一。導熱填料與基體以分散復合、表面復合、層積復合和梯度復合等方式結合在一起,形成密集的熱通道,得到導熱性能優異的復合材料。隨著電子設備的”輕薄短小”的發展,導熱復合材料也呈現出輕量化、高導熱的趨勢。


      (一)導熱復合材料的不可能三角

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      在宏觀經濟學界,有一個著名的不可能三角理論,而在材料界,也存在一個“導熱復合材料的不可能三角”,可以概括為:技術路線不變的前提下,“更高的導熱率”、“更輕的重量(密度)”和“更低的成本”這三個要素很難同時達成,至多可以實現兩個。


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      一般而言,材料的導熱系數與密度存在一定的關系,密度較低的材料,導熱系數也較低,要實現更高的導熱系數,就必須具有較高的導熱密度。因此,更高導熱與更輕量化往往是不可兼得的。


      (二)低填充量是六方氮化硼降本的重要途徑

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      六方氮化硼是一種新型的導熱填料,同時具有低密度、高熱導率的特點,此外,還具有優異的電絕緣性能,是一種重要的電子元件導熱填料。雖然六方氮化硼本身已經具備了高導熱率、更輕量化兩大要素,但受限于高性能粉體的制備以及應用技術還不夠成熟,六方氮化硼的價格往往偏高,難以達到低成本的要求。因此,如何降低氮化硼導熱復合材料的成本是突破導熱復合材料不可能三角的難點。

      在傳統的復合材料制備工藝中,需要將六方氮化硼隨機且不規則地分布在基體中,理論上來說,導熱填料填充量越高,材料整體的導熱性能越好。然而高填充量不僅可能帶來受熱開裂等問題,必然還會帶來成本的上升,這在很大程度上限制了材料的應用。因此,如何在低填充量的情況下保證高導熱率是六方氮化硼復合材料降低成本的關鍵環節。

      制備導熱性能優異的復合材料的關鍵之一在于盡可能多的形成導熱通路,因此對熱傳導通道進行人為的調控和優化,是減少導熱填料添加量的有效方法。


      (三)優化六方氮化硼熱傳導通道的方法

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      1.二維取向

      與石墨類似的層狀結構造就了六方氮化硼顯著的各向異性,而定向性是建立高效熱通道的重要條件。目前,主要有兩種方式可以使導熱填料在復合材料內部發生取向,一種是在加工過程中利用剪切力或者拉伸力使導熱填料取向,另一種是在電場或磁場等外力作用下驅動導熱填料取向。

      2.3D導熱網絡

      3D 網絡結構的構建可以形成良好的連續導熱通路,降低填料與高分子基體間的界面熱阻,促進聲子的傳播,實現復合材料的優異導熱性能。合理的 3D 網絡結構設計可以大大提高導熱復合材料的內部熱能傳遞速率、減少六方氮化硼填料的使用成本。制備具有3D網絡導熱復合材料的關鍵在于,要先利用導熱填料的自組裝來達到它的逾滲狀態,進行3D導熱網絡的預先構建,之后將自組裝形成3D導熱網絡與體組裝制備得到復合材料。


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      (圖源:高分子材料科學與工程)


      3.雜化填料

      導熱填料的種類、尺寸和形狀等參數都對復合材料的導熱系數有影響,單一的導熱填料對復合材料導熱性能的改善是有局限性的。因此,在制備復合材料時可以通過添加不同種類、不同形狀和不同尺寸的導熱填料來改善其導熱性能,這樣不僅可以增加復合材料中導熱填料的密度,還可以利用導熱填料之間的協同作用,在復合材料內部形成更多的熱傳導通道,從而在降低導熱填料添加量的情況下,也可以獲得具有優良導熱性能的復合材料。

      4.雙逾滲結構

      導熱填料在復合材料中的雙逾滲結構是指當導熱填料在一種聚合物連續相中處于逾滲狀態時,該連續相在另一種聚合物連續相中也處于逾滲狀態。也就是說,通過特殊的制備工藝,使導熱填料選擇性地分布在由兩種不同的聚合物共混形成的聚合物基體的其中一種連續相中。與傳統的在單一連續相中均勻分散相比,在相同的導熱填料添加量下,雙逾滲結構復合材料的導熱系數更高。

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