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氮化硼纳米片填充聚合物制备高导热绝缘复合材料

发布日期:2019-02-21 作者: 点击:

    近年来,高功率密度和高集成已成为电力设备和电子器件的发展方向,其运行过程中所产生的热量越来越高,良好的散热能力就成为保证器件稳定运行的关键因素。

    聚合物材料一直以来被广泛运用作为电力设备的绝缘材料,但绝大部分聚合物导热性能差,严重制约了各类器件导热能力的提升。目前,为解决这一问题,主要方法是通过在聚合物中掺杂高导热率的导热填料制备高导热聚合物基复合材料,以提高材料的导热性能。通常来说,提高填充量会使得复合材料的导热系数显著提高,但高填充量下材料热导率的提高往往也伴随着加工、机械性能、力学性能的下降,因此,在低填充量下实现高效热管理能力是制备综合性能优良的高导热绝缘材料的巨大挑战。

    常见的导热填料主要有碳类(碳纳米管、石墨烯)、无机非金属(氮化硼、氮化铝、氮化硅)、氧化物(氧化镁、氧化铝、氧化硅)等。其中,氮化硼纳米片因此超高导热率、电绝缘的特性被认为是高导热绝缘领域的关键材料之一。

    近期,上海交通大学江平开教授团队在期刊ACS Nano上发表的文章中,提出了利用静电纺丝法,制备高导热绝缘的聚合物基氮化硼纳米片纳米复合薄膜,在低填充量下同时实现聚合物绝缘材料导热系数的大幅增强,同时材料的绝缘性能也显著提高。

    文章报道了利用聚偏二氟乙烯(PVDF)作为基体,掺杂氮化硼纳米片(BNNS)首先制备纺丝液,后利用静电纺丝技术制备面内方向取向和相互连接的BNNS/PVDF复合纤维,通过简单折叠和冷压/热压结合方式制备得到BNNS/PVDF复合材料。


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图1 BNNS/PVDF纳米复合薄膜的制备示意图


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图2 (a)复合材料25℃条件下面内和穿透面导热率

(b)纳米复合薄膜的热流面内转移示意图

                                      (c)纳米复合薄膜导热能力的各向异性

                                      (d)复合薄膜面内导热率和厚度的关系

        (e)BNNS/PVDF复合材料与其他材料导热能力对比

    同时,相关测试结果也显示BNNS的加入使得制备的复合材料相比较原始PVDF材料具有更好的电绝缘性能。更进一步,文章中还提到了将该复合材料集成作为晶体管的散热界面材料。通过测试显示其具有比目前商用界面材料更好的热管理能力,这也表面该复合材料在导热绝缘领域有着良好的应用前景。

    此外,不只是BNNS/PVDF复合材料,氮化硼纳米片也能被作为填充材料加入环氧树脂、纤维素等基体中,有效改善材料的导热能力。总而言之,随着电气系统和电子设备的快速发展,六方氮化硼(h-BN)特别是氮化硼纳米片(BNNS)因其高导热性能、低介电常数和介电损耗、良好的抗氧化性能,相信会成为满足高热管理性能领域的理想材料。















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