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如何进一步提升氮化硼填料的导热作用?试试磁性调控(一)

2021-12-07 10:44:49

采用添加导热填料的方式来提高高分子聚合物基体的导热性能,来解决新一代高功率、高度集成、体积更小的电子产品器件的散热问题,已经是主流的常用方案。氮化硼(BN)是目前导热非常高的绝缘导热材料,受限于高性能粉体的制备生产以及应用技术还不够成熟,且价格偏高,目前市场还处于初期阶段,但国内外关于氮化硼作为导热填料的研究一直是备受关注的热点。

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目前,复合型导热高分子材料的导热机理主要包括导热路径理论、导热渗滤理论和热弹性系数理论。

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导热路径理论是最重要且用途最广的理论,其通过导热填料与聚合物基体的接触来形成路径。由于聚合物基体的巨大热阻,热流将沿着热阻最小的导热填料通道传递,即热流想方设法从导热填料“搭的桥”通过。

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导热填料添加量较低时,填料随机分散在聚合物基质中(此时聚合物基质为连续相,而导热填料为分散相,类似于海岛状结构),填料间很少相互接触和相互重叠,难以形成有效的导热通道和网络。在这种情况下,填料间搭的“桥”不能互通,热流根本走不通,也就只好还是从基体间通过,此时复合材料的热导率跟基体的固有热导率并无多大差别。

随着进一步添加导热填料,填料开始相互接触,并且在聚合物复合材料中会形成更多的导热链或网络(聚合物基质和填料都为连续相),导热通路一通,这种情况下复合材料的热导率就会明显提升。

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这个理论是源自导电聚合物的渗滤现象,即在高分子树脂基体与导电填料之间有一个“渗滤阈值”,当导电填料的添加体积分数达到一个临界值时,在渗透转变点附近,聚合物复合材料的电导率急剧增加,增加了数百倍甚至数千倍。

但是研究表明,导热复合材料的热导率通常是随着导热填料的增加而缓慢提升的,并不能完全适用,目前,渗滤行为仅在一些具有高导热填料例如碳纳米管(CNT)的填充的聚合物复合材料中发现。

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通过分析各种无机物质的热特性,非金属材料通常依靠声子的传动来传递热量,因此复合材料导热率的变化与经典振动和弹性力学中的弹性系数和模量非常相似。材料本身的热导率越高,热弹性系数和声子传递效率越高,可以将材料热导率的提高视为高导热填料对聚合物基体的复合增强作用。

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氮化硼拥有类似石墨的片层结构的晶体,因此可以像石墨获得单层石墨烯一样获得单层氮化硼或者是少层的氮化硼纳米片(BNNSs),单独的h-BN基面可以等效为单层的石墨烯,在h-BN片层中,N原子和B原子通过强共价键连接,这点与石墨烯相似,与之不同的是这种共价键中还包含一些类似于离子键的性质。

在实际的应用中,h-BN的结构往往是存在着缺陷的,这些缺陷会严重影响到声子的传播。研究表明h-BN与石墨烯类似,薄而宽的结构往往晶格缺陷较少,所以这种的氮化硼的本征导热率高,相反厚而窄结构的本征导热率会低。另一方面,声子在界面处会发生散射,这种散射的存在导致了声子的传播被极大地阻碍。因此要想发挥h-BN的高导热性能,首先要获得片层薄且大的纳米氮化硼片。

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