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球形的氮化硼凝聚粒子让聚合物绝缘导热能力一级棒~

2023-03-15 11:06:56


随着现代电子产品向小型化、多功能化和高性能化的快速发展,过热会降低电子电气设备的性能、寿命和可靠性,如何高效散热成为了急切的课题。聚合物由于其电绝缘性高、重量轻和易于加工等优点,已被广泛用作电气设备的电子封装材料,不仅减少部件的尺寸和重量,还能简化组装。然而,聚合物本身大多为热的不良导体(热导率在0.1~0.5W/mK之间)[例如高频覆铜板用树脂聚四氟乙烯的热导率约为0.20~0.24W/(m.K)],引入高导热填料制备聚合物基复合材料是目前广泛认同的提高材料整体导热性能的可行方法,常见的导热填料有金属、金属氧化物和氮化物以及碳系导热填料等。

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金属颗粒、碳系材料虽然具有很高的本征热导率而被广泛应用,但这类填料在改变导热性能的同时也改变了聚合物的电气绝缘性能,如导致聚合物极高的电导率、较高的介电常数,因此这类材料并不适合对绝缘性能要求高的场合。因此,绝缘领域更多关注的是具有极高本征热导率且绝缘性能良好的无机颗粒。目前,包括氧化铝、氧化镁、氮化铝、氮化硼等无机颗粒已被广泛应用于高导热聚合物基复合材料。

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h-BN特性:

通常,六方氮化硼(h-BN)的结晶结构为和石墨同样的层状结构,其粒子形状为鳞片状具有优异的导热性能(面内热导率实验值220–420W/mK,理论值可达550W/mK),拥有优异的电气特性(低介电常数--在宽频范围内约为4.0,低介电损耗角正切3 × 10–4,绝缘性好-带隙宽度为5.2-5.8eV),被认为是目前为止最理想的绝缘导热填料。

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球形的氮化硼凝集粒子的好处:高填充及各向同性

不过,想要得到高热导率的聚合物基导热材料,只看填料的本征导热率是不行的,我们还需要关注它的工艺过程。在聚合物基复合材料的制备过程中,添加极少量的片状氮化硼就会导致体系的粘度急剧增加,想要添加高于20%的体积含量是非常困难的,而球形的氮化硼凝集粒子可以降低填料添加时对聚合物复合材料体系粘度的影响。

此外,鳞片状的六方氮化硼具有各向异性的热传导特性,在面内方向具有高导热率(220–420W/mK),但在厚度方向导热率(2-40W/m K),另外,如果将鳞片状粒子填充到树脂中形成片材,h-BN粒子在填充树脂中容易在片材内沿面方向取向,无法高效的提高树脂片材的厚度方向的导热性。

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 热传导方向示意图


为了改善鳞片状的BN粒子的导热的各向异性,通过喷雾干燥等造粒的h-BN粒子(可制备球形的氮化硼凝聚粒子)、烧结h-BN并粉碎烧结体而制造的h-BN粒子等方式,来让鳞片状的BN颗粒保持随机取向,从而使材料具有各向同性的热导率。

当然,尽管球形氮化硼在提升聚合导热率表现很好,但实际应用是“多种填料混搭”更为显著的提升聚合物的导热散热能力,例如氧化铝搭配球形氮化硼,片状氮化硼搭配球形氮化硼,大颗粒的球形氮化硼搭配小颗粒的球形氮化硼~

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除了绝缘导热能力外,六方氮化硼的其他特质也是非常值得我们关注的,如下一起来看看。


0

1

低介电常数


氮化硼在宽频率和温度范围内保持恒定的损耗因数,有助于实现高频数据传输,将氮化硼作为填料添加到高频树脂材料中,可以制备出满足高频数据传输需求的高导热聚合物。

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0

2

低密度


氮化硼的密度较低,对于等效导热水平,与矿物或氧化物基填料相比,氮化硼的重量百分比要低得多。例如,一个Al2O3-PA66化合物(2.3 kg/L),BN-PA66化合物(1.4 kg/L),前者比后者重1.6倍。较低密度的氮化硼填料可以有效减少部件重量。image.png


0

3

低硬度、润滑


h-BN莫氏硬度低,具有类似石墨的片状形状,素有白色石墨之称,光滑无摩擦,可大大降低对注塑成型、挤压设备的磨损,有效提升设备的使用寿命。

不过在使用团聚态氮化硼的时候,不同的加工条件会对团聚态氮化硼形貌产生很大的影响,进而影响到最终的界面材料的热导率。如果在树脂混炼过程中有过高的剪切力存在的话,可能打碎一部分团聚态的球形结构;即便是同一配方,混合速度和混合时间不同,也会带来不同的导热性能差异。如果缺乏加工条件对氮化硼形态影响的理解,用户很难获得具备较好的热性能和流变性能的复合材料。

一般的工艺条件所制备的凝聚态球形BN结合力非常弱,球形结构在聚合物复合材料的混合过程中容易被破坏,因此如何制备稳定“耐蹂躏”的的球形BN也是一个非常值得探讨的话题。

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