六方氮化硼作為絕緣導(dǎo)熱填料的選擇與應(yīng)用策略

文章出處：行業(yè)動(dòng)態(tài) 責(zé)任編輯：東莞東超新材料科技有限公司發(fā)表時(shí)間：2025-04-15

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六方氮化硼（h-BN）因其獨(dú)特的層狀晶體結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的綜合性能，成為高功率電子器件熱管理領(lǐng)域的重要材料。其平面內(nèi)強(qiáng)共價(jià)鍵與層間弱范德華力的結(jié)合，賦予了材料極高的面內(nèi)熱導(dǎo)率和絕緣特性，在微型化電子設(shè)備、新能源系統(tǒng)及特種工業(yè)場(chǎng)景中展現(xiàn)出巨大潛力。本文從材料特性、填料選擇到應(yīng)用策略，系統(tǒng)探討h-BN的工程化應(yīng)用路徑。
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一、h-BN導(dǎo)熱機(jī)理的本質(zhì)特征
?h-BN的熱傳導(dǎo)主要依賴于晶格振動(dòng)形成的聲子傳遞機(jī)制。其層內(nèi)原子通過強(qiáng)共價(jià)鍵形成規(guī)整的蜂窩結(jié)構(gòu)，為聲子傳播提供了低散射通道，而層間較弱的相互作用則限制了垂直方向的傳熱效率，形成顯著的各向異性導(dǎo)熱特征。這種特殊的結(jié)構(gòu)特性決定了在實(shí)際應(yīng)用中需通過定向調(diào)控充分發(fā)揮其面內(nèi)導(dǎo)熱優(yōu)勢(shì)。

二、h-BN填料的優(yōu)選原則
1. 形貌設(shè)計(jì)
片狀結(jié)構(gòu)優(yōu)先：納米片（BNNS）因其大平面尺寸和高徑厚比，更易在基體中構(gòu)建連續(xù)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。橫向尺寸越大，聲子傳輸路徑越完整；縱向?qū)訑?shù)越少，層間熱阻越小。

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2. 晶體質(zhì)量把控
晶格缺陷和非晶區(qū)域會(huì)加劇聲子散射，優(yōu)選高結(jié)晶度、低缺陷密度的h-BN原料。完善的晶體結(jié)構(gòu)可最大限度降低熱阻，提升導(dǎo)熱效率。

3. 分散穩(wěn)定性
h-BN的高表面能易引發(fā)團(tuán)聚，需通過表面工程改善其在聚合物基體中的分散性。均勻分散是構(gòu)建有效導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的先決條件，直接影響復(fù)合材料的最終性能。

三、h-BN的工程應(yīng)用策略
1. 表面功能化改性
物理修飾：通過π-π相互作用或靜電吸附引入分散劑，在保留h-BN本征特性的同時(shí)提升界面相容性。此方法操作簡便，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。
化學(xué)接枝：采用等離子體處理或液相反應(yīng)在h-BN表面接枝活性基團(tuán)，增強(qiáng)填料與基體的化學(xué)鍵合。這種改性方式可顯著降低界面熱阻，但需平衡工藝復(fù)雜度與性能增益。

2. 多維填料復(fù)配體系
將h-BN納米片與球形氧化鋁、碳纖維等不同維度填料復(fù)合，形成空間互補(bǔ)的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。這種策略既可抑制納米片堆疊，又能通過協(xié)同效應(yīng)降低整體填料成本，同時(shí)改善材料的加工流動(dòng)性。

3. 取向排列技術(shù)
力場(chǎng)調(diào)控：利用剪切流場(chǎng)或熱壓工藝使h-BN沿特定方向定向排列，充分發(fā)揮其面內(nèi)導(dǎo)熱優(yōu)勢(shì)。該方法能在較低填料含量下實(shí)現(xiàn)高效熱傳導(dǎo)，但需避免取向?qū)е碌牧W(xué)性能各向異性。
外場(chǎng)誘導(dǎo)：通過電場(chǎng)/磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)h-BN的取向組裝，構(gòu)建有序?qū)嵬ǖ?。此技術(shù)適用于精密電子器件的局部熱管理，但對(duì)設(shè)備精度和工藝控制要求較高。

二、h-BN如何應(yīng)用

由于聚合物基體無自由電子和大量完整晶體，形成的晶體結(jié)構(gòu)無序且較少，熱阻往往很大，因此，導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能主要依靠h-BN導(dǎo)熱填料構(gòu)筑有效的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。而為了有效構(gòu)建導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，h-BN導(dǎo)熱填料可通過以下方式應(yīng)用：

1、表面功能化改性

?由于分散性是h-BN導(dǎo)熱填料的一個(gè)重要指標(biāo)，但層內(nèi)共價(jià)相連的方式使得h-BN 表面的活性基團(tuán)較少，高化學(xué)惰性較高，一般情況下都難以在聚合物基體中有效分散，因此往往需要進(jìn)行表面功能化改性來提升其分散性。通常，h-BN的功能化改性有兩種方式：物理非共價(jià)鍵改性和化學(xué)鍵合改性。

①物理非共價(jià)鍵改性

?非共價(jià)改性是利用改性劑表面的基團(tuán)與h-BN表面發(fā)生物理吸附作用，如π-π相互作用、靜電作用等，從而將改性劑附著在h-BN表面，提供空間位阻、靜電排斥作用和改善疏水作用，從而達(dá)到改善聚合物基體與h-BN界面相容性的目的，具有工藝簡單、可操作性強(qiáng)，并且由于改性過程中不涉及化學(xué)反應(yīng)，非共價(jià)方法不會(huì)在功能化過程中大幅度改變納米材料結(jié)構(gòu)的空間形狀屬性，最大程度上保留六方氮化硼的固有性質(zhì)。

②化學(xué)鍵合改性

該方法是采用等離子體處理、水熱反應(yīng)等技術(shù)將羥基、氨基、環(huán)氧基等官能團(tuán)以化學(xué)鍵合的方式接枝在BN表面，以提高在聚合物基體中的分散性能。相比物理法，化學(xué)鍵合方式的改性效果更好，能夠使h-BN與聚合物基體結(jié)合得更加緊密。

h-BN作為新一代絕緣導(dǎo)熱填料，其應(yīng)用價(jià)值不僅體現(xiàn)在性能提升，更在于推動(dòng)電子器件向高集成、高可靠方向演進(jìn)。通過多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝創(chuàng)新，有望突破當(dāng)前導(dǎo)熱復(fù)合材料的性能瓶頸。

?參考資料：粉體圈?

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