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導(dǎo)熱六方片狀氮化硼復(fù)合材料的研究進(jìn)展

文章出處:常見(jiàn)問(wèn)題 責(zé)任編輯:東莞東超新材料科技有限公司 發(fā)表時(shí)間:2023-04-07
  

       隨著微電子行業(yè)的不斷發(fā)展,科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,現(xiàn)代人們對(duì)電子設(shè)備功率的需求不斷提高,高性能導(dǎo)熱材料引起了人們的廣泛關(guān)注。快速有效的冷卻能力和電子和電氣冷卻系統(tǒng)的升級(jí)已成為現(xiàn)代小型化電子產(chǎn)品制備工作的關(guān)鍵?,F(xiàn)階段,加入導(dǎo)熱性填料以提高聚合物基體的導(dǎo)熱性,解決新一代高功率、高集成、小電子器件的散熱問(wèn)題,已成為主流解決方案。此外,重要的是要知道固體被分為金屬、半導(dǎo)體和絕緣體,這三種物質(zhì)都有各自的導(dǎo)熱性特性。三者的導(dǎo)熱性能都是用熱導(dǎo)率來(lái)表示,同時(shí)熱導(dǎo)率也稱為“導(dǎo)熱系數(shù)”。是指在物質(zhì)內(nèi)部垂直在導(dǎo)熱性方位取2個(gè)距離1米,總面積為1平方米的平行面,,若2個(gè)平面的溫度差距1K,即在1秒左右由一個(gè)平面?zhèn)鬏斨亮硗庖粋€(gè)平面的熱量就設(shè)定為物質(zhì)的熱導(dǎo)率。片雜化結(jié)構(gòu)比單一填料體系具有更高的導(dǎo)熱性和更快的熱響應(yīng)性能。

?六方片狀氮化硼電鏡圖


       金屬及碳材料具備很好的導(dǎo)熱性,但由于其導(dǎo)熱載體為電子,往往不能達(dá)到某些高精尖領(lǐng)域的使用要求。因?yàn)檩^高導(dǎo)電性往往容易使器件短路。此外,金屬除了具備較差的電絕緣性能外,還具有較大的比重,與輕薄化發(fā)展趨勢(shì)相悖。而部分以聲子與光子為導(dǎo)熱載體的金屬氧化物及陶瓷也能具有相對(duì)高的導(dǎo)熱能力,但是同樣存在比重大及難加工等問(wèn)題。高分子來(lái)源廣泛,種類(lèi)繁多,可根據(jù)具體使用要求選取化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、耐高低溫性能、溶解性能、機(jī)械強(qiáng)度的不同的高分子。然而,雖絕大多數(shù)聚合物具備良好的機(jī)械性、加工性及電絕緣等優(yōu)良性能,但由于其導(dǎo)熱載流子主要是聲子,熱導(dǎo)率通常很差(不超過(guò)0.5W(m·K)-1)。因此,本征高分子幾乎不能用于散熱領(lǐng)域。復(fù)合材料不僅保持了各組分的性能優(yōu)點(diǎn),而且通過(guò)組分間的協(xié)同補(bǔ)強(qiáng)作用,可以獲得單一組成材料所不能達(dá)到的綜合性能。因此,聚合物基導(dǎo)熱材料的制備是獲取各項(xiàng)性能優(yōu)異的導(dǎo)熱材料行之有效思路之一。

?六方片狀氮化硼

按導(dǎo)電能力的不同,導(dǎo)熱復(fù)合材料的填料可分為導(dǎo)電填料(如金屬、碳材料等)與絕緣填料(如大部分陶瓷材料、金屬氧化物等)。導(dǎo)熱填料與聚合物基體以分散復(fù)合、表面復(fù)合、層積復(fù)合和梯度復(fù)合等方式結(jié)合在一起,最終形成密集的導(dǎo)熱通路,得到導(dǎo)熱性能優(yōu)異的復(fù)合材料。此外,混合填料復(fù)合材料具有優(yōu)異的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性。其中,聚合物基導(dǎo)熱材料的熱導(dǎo)率幾乎完全來(lái)自于導(dǎo)熱填料,但是為了提高材料整體的導(dǎo)熱性能,選擇取向性好、具備剛性結(jié)構(gòu)、液晶單元、分子與分子之間能產(chǎn)生 π-π作用、氫鍵、主客體作用等類(lèi)型的高分子也是必要的。理論上填料填充率越高,材料整體的導(dǎo)熱性能越好,通常情況下填充量高于50%(vol)時(shí),熱導(dǎo)率才能明顯提升。

      六方片狀氮化硼其平面內(nèi)機(jī)械強(qiáng)度可達(dá)500N/m,并具有優(yōu)異的耐高溫性。在空氣中抗氧化溫度為900℃,在真空中可達(dá)到2000℃。同時(shí),h-BN也具有極高的導(dǎo)熱率,其中理論計(jì)算的氮化硼納米片(BNNS)的導(dǎo)熱率高達(dá)1700~2000W.m-1.K-1。更重要的是,h-BN具有優(yōu)良的絕緣性能。h-BN的帶隙為5.2eV,擊穿強(qiáng)度高達(dá)35kV/mm,可在同時(shí)需要絕緣和散熱的條件下使用,這是石墨烯無(wú)法比較的。因此在現(xiàn)階段上氮化硼是一種具有良好應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景的導(dǎo)熱填料。

?5-30微米六方片狀氮化硼DCB-F

       而對(duì)于六方氮化硼h-BN基導(dǎo)熱復(fù)合材料而言,導(dǎo)熱的載體為聲子,且熱導(dǎo)率主要取決于聲子如何傳播。高的填料添加量往往會(huì)導(dǎo)致材料易受熱開(kāi)裂和抗沖抗張能力減弱等缺陷,這將在很大程度上限制材料的應(yīng)用。如何在低填料負(fù)載下提高材料的導(dǎo)熱性仍具有極大的挑戰(zhàn)。BNNS具有高介電強(qiáng)度,低熱膨脹系數(shù),高熱穩(wěn)定性和高化學(xué)穩(wěn)定性等諸多優(yōu)異性質(zhì)。單層或少層 BNNS的熱導(dǎo)率是h-BN 的數(shù)倍,其面內(nèi)熱導(dǎo)率最高可達(dá)6000W(m·K)-1。

       當(dāng)導(dǎo)熱填料含量低時(shí),聚合物基體中的填料主要以隔離形式存在,不接觸,連續(xù)相仍為聚合物基體,形成類(lèi)似于“海島”的兩相體系。此時(shí),界面體積較小,且界面的熱阻并不是導(dǎo)熱系數(shù)降低的主要原因。然而,聚合物基體本身不利于聲子的傳播,因此最需要考慮如何有效地構(gòu)建傳導(dǎo)路徑。當(dāng)填料含量高時(shí),復(fù)合材料內(nèi)部界面數(shù)量將大大增加,主要包括填料/填料界面和填料/聚合物界面。此時(shí),語(yǔ)音散射較嚴(yán)重,界面的熱阻急劇增大,因此有必要通過(guò)表面改性等方法來(lái)提高h(yuǎn)-BN與聚合物基體的匹配度。
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