導熱材料“隱形冠軍”：氮化硼如何有效提高復合材料導熱性能

氮化硼（BN）是由同等數量的氮（N）和硼（B）原子組成，晶體結構與碳體系十分相似。現有六方氮化硼（h-BN）、立方氮化硼（c-BN）、菱方氮化硼（r-BN）及纖鋅礦型氮化硼（w-BN）4種不同結構的晶型。

氮化硼晶體結構

其中h-BN是以sp2雜化方式連接的二維原子晶體，與石墨結構相似，由B原子和N原子交替排列組成的無限延伸的六邊形蜂窩結構。對h-BN進行剝離、沉積，可以得到氮化硼納米片（BNNSs）、氮化硼納米顆粒（BNNPs）、氮化硼納米管（BNNTs）、氮化硼納米纖維（BNNFs）等適用于不同實際應用需求的BN納米材料。

h-BN具有高導熱性、極佳的絕緣性、熱穩定性和低熱膨脹系數等眾多特性，在導熱材料的研究方面備受關注。

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氮化硼：絕佳的導熱填料

當前，電子產品正高速向集成化、大功率化方向發展，然而這類產品在使用過程中會產生大量的熱能，導致熱量集聚，進而引發設備老化等問題，因此，為保障電子設備正常高效工作，需要能將積累的能量快速散出的高導熱性能的材料。

填充型導熱聚合物是由高導熱填料與聚合物材料制備而得到的，此制備工藝簡單、成本低、易于控制。引入具有高導熱系數的氮化硼納米材料作為導熱填料，不僅可有效提高聚合物基體的導熱性，同時還能保持材料的電絕緣性，因此其成為制備填充型高導熱、絕緣復合材料的首要選擇。

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構建三維網絡提高導熱性能

利用構建三維網絡來增強氮化硼/聚合物復合材料的導熱性能有效地減少h-BN和聚合物之間的界面數量，降低聲子散射，同時可以制造導熱通路，使得熱量能夠有效地傳輸，也使得h-BN的用量減少，減少了力學性能的損傷。因此，對于三維結構復合導熱材料的研究和開發已經成為當前的熱點和重點。當前常見的三維導熱網絡的構建方法主要有模板法、自組裝法、熱壓法和3D打印法等。

模板法

模板法在構建復合材料的三維結構方面應用廣泛。就h-BN/聚合物復合材料而言，其構建過程中主要采用的模板法包括冰模板法、泡沫模板法以及犧牲模板法。模板法的優勢主要在于可以精確調控網絡結構，適用于多種填料和基體且操作簡單易行。

冰模板法是一種主要利用懸浮液并通過調節冰晶的成核和生長來控制三維網絡形貌的加工技術，與簡單共混制備的復合材料相比，基于冰模板法制備的三維網絡復合材料的熱導率要高得多；泡沫模板法一般以泡沫為簡單模板，以高導熱填料為主體，利用浸漬技術將液態聚合物浸漬到預制負壓形成的三維網絡結構中，通過機械壓縮對導熱網絡進行致密化和定向化；犧牲模板法主要指的是去除初始模板制備三維互連導熱網絡結構，已有大量研究工作利用鹽和水溶性糖作為犧牲模板來制備導熱復合材料的三維網絡結構。

泡沫模板法制備示意圖

自組裝法

自組裝法是指基本結構單元(分子、納米材料、微米或更大尺度的物質)自發形成有序結構的一種技術。在自組裝的過程中，基本結構單元在基于非共價鍵的相互作用下自發地組織或聚集為一個穩定、具有一定規則幾何外觀的結構。該方法的優勢在于合成簡單，成本低，可以實現微觀尺度控制，具有良好的兼容性，能夠原位合成。

熱壓法

熱壓法就是利用加熱加壓的條件來構建3D網絡結構的定向排列，可以有效地提高導熱性以及機械強度，一般通過機械力干擾來完成該過程。該方法的優勢在于熱壓過程的參數可調控性較強，可以實現取向控制，適用于多種材料體系且熱壓可以強化材料內部的結構穩定性。

3D打印

3D打印技術是一種無模直寫成型技術。具體優點包括快速原型制作、設計自由度高、浪費少、成本低、速度快等，而且3D打印過程中發生的熔融擠出和剪切流動使BNNSs在聚合物基體中高度取向，表現出比熱成型樣品更好的機械強度和導熱增強效果。也正因如此，使用3D打印法來構建氮化硼/聚合物復合材料的三維網絡已經被廣泛應用于科研實驗室和制造業工廠。

BN漿料垂直擠出的3D打印法示意圖

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復合填料搭配，實現導熱1+1>2

與單一填料相比，在二維BN體系中引入不同維度的填料，與BN之間通過點?面“包覆”，線?面“橋接”以及面?面“相連”的方式混合，更有利于材料內部導熱通路的構建，熱量沿著填料之間快速傳遞，從而使復合材料的導熱性能更加優異。

零維導熱填料。二維BN與零維填料的復合如碳化硅(SiC)、氧化鋁(Al2O3)等，可以提高填料的整體填充率，有利于導熱網絡的形成。片層結構的氮化硼的成本高于球形Al2O3，與Al2O3雜化復合可以提高導熱性能的同時，還可降低氮化硼填充聚合物復合材料的成本。

一維導熱填料。一維填料具有管狀或者線狀的結構，如碳納米管(CNT)、納米線等。與二維BN復合時，能夠在導熱網絡的構建中起到“橋梁”的作用，將相鄰的BN連接起來，這種協同作用不僅能降低復合材料中的界面熱阻，而且對導熱網絡的構建十分有利。

多元導熱填料。h-BN與多種導熱填料進行雜化組合，已成為近幾年制備高導熱復合材料的研究熱點。通過多元填料雜化高分子基體，極大豐富了高分子基復合材料內部的導熱路徑，有利于聲子沿著最短路徑進行能傳遞，提高材料的導熱速率。

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終端應用場景豐富

氮化硼作為一種高效的導熱填料，具有優異的導熱性能、絕緣性能和化學穩定性，被廣泛應用于高溫、高壓、高速、高精度的導熱領域，例如電子器件、航空航天、新能源汽車、化工設備等高散熱需求行業。

電子器件領域，可以用作導熱板、導熱膏、導熱凝膠、散熱器等材料，有效降低電子器件的溫度，可以應用在智能手機、智能手表、筆記本電腦、無人機等消費類智能設備終端，穩定其性能，提高使用壽命。

航空航天領域，可以用于制造高溫結構材料、導熱材料、熱障涂層等，應用在衛星、探測器、空間站等，提高航空航天器的性能和安全性。

新能源汽車領域，可以滿足電機、電控、電池等汽車系統的散熱需求，提高汽車的性能和經濟性。

化工設備領域，可以制造高溫反應器、催化劑、傳熱設備，提高化工設備的效率和安全性。

參考來源：

[1]柯雪等：氮化硼功能化改性高分子導熱復合材料的制備及性能研究進展

[2]許一昊等：三維網絡氮化硼/聚合物導熱復合材料的研究進展