六方氮化硼：导热粉体的新革命，电子器件领域的关键材料
六方氮化硼（h-BN）是一种广泛应用于电子、化工、航空航天等领域的导热材料，其形态包括片状、块状、球状等，每种形态在导热、机械性能、润滑性能等方面都有独特的优势。为了提高h-BN的性能，通常需要对其进行表面改性。氮化硼的高导热性能可以通过使用不同尺寸的填料和引入多种维度填料进行混合来实现。表面改性基团对复合材料导热性能有显著影响，如氨基表面改性有利于在高填充质量分数下获得更好的导热性能。南京大学姚亚刚教授课题组采用球形氧化铝与片状h-BN互连制备的高导热复合材料具有良好的导热性能和力学性能。要有效利用h-BN，需要对其进行功能化改性，如非共价键改性和共价键改性等方法，以提高其在有机溶剂和聚合物基体中的分散性和相容性。六方氮化硼粉体不同形貌间的性能差异 六方氮化硼（h-BN）是一种具有高导热性和优异电绝缘性能的材料，广泛应用于电子、化工和航空航天等领域。其形态包括片状、块状和球状，每种形态在实际应用中表现出独特的性能特点。 在导热性能方面，片状h-BN因其层状结构在平行方向上具有极高的热导率，适合水平方向高效散热的场合，如电子设备散热材料。而球形h-BN作为填料时能带来更高的填充量，理论上填充率越高，整体导热性能越好，尤其适合电池散热等垂直方向散热需求。 在机械性能方面，片状h-BN在复合材料中形成复杂的网络结构，增强机械强度；球形h-BN则提供更好的分散性和改善材料整体机械性能。 润滑性能方面，片状和球形h-BN都能作为润滑添加剂使用，但片状h-BN在某些特定应用中可能展现更出色的润滑效果。 电绝缘性能方面，h-BN的形态对电绝缘性能的影响相对较小，更多取决于其纯度和结构完整性，但片状h-BN在特定情况下可能表现出更佳的绝缘性能。 加工性能方面，球形h-BN因其规则形状在加工过程中更容易实现高填充量，提高加工效率和材料性能。 实际应用中，选择何种形态的h-BN粉体取决于具体的应用需求和条件。通常需要对其进行表面改性以提高应用性能，但h-BN的化学惰性和抗氧化性增加了表面改性的难度。东超新材拥有丰富的功能粉体表面处理经验，已成功研发出改性氮化硼粉体，满足不同应用需求。为了实现氮化硼的高导热性能，可以采取以下两种主要策略： 1. 使用不同尺寸的填料：结合微米级和纳米级的BN颗粒作为导热填料，在复合材料内部建立有效的导热网络。微米级BN颗粒形成主要的热传导路径，而纳米级BN颗粒起到连接作用，增加导热通路，从而提高复合材料的导热性能。 2. 引入多种维度填料进行混合：将BN与其他维度的填料（如零维、一维和二维填料）进行复合，充分利用不同填料之间的协同作用来提升导热填料在聚合物基体中的填充密度。这种策略有助于导热路径的形成，还能对复合材料的综合性能产生积极影响。 具体来说，可以通过将BN与零维填料（如碳化硅、氧化铝等）复合，提高填料的整体填充率，有利于导热网络的形成，并降低氮化硼填充聚合物复合材料的成本。一维填料（如碳纳米管、纳米线等）在与二维BN复合时能起到“桥梁”作用，将相邻的BN连接起来，降低复合材料中的界面热阻，有利于导热网络的构建。二维填料（如氧化石墨烯）与BN复合时，由于它们之间具有较强的界面相互作用和匹配的声子谱，可以产生较低的界面热阻和更好的导热性能提升。 通过合理设计填料结构、选择适当的排布技术以及引入多种维度填料进行复合，可以实现氮化硼的高导热性能，满足电子设备热管理的需求。氮化硼表面改性基团对复合材料导热性能的影响 氮化硼（BN）因其高导热性和优异的电绝缘性能，常被用作聚酰亚胺（PI）基体的填料，制备BN/PI复合材料，以提高绝缘材料的热导率，减少热量积聚和绝缘材料的热击穿问题。然而，BN与PI之间的界面相容性差，导致BN在PI基体中难以均匀分散，影响导热性能。因此，对BN颗粒进行表面改性是提高BN/PI复合材料导热性能的关键。 通过原位聚合法，可以制备氨基、羧基和羟基表面改性的BN颗粒，这些改性方法能够增加BN颗粒与PI基体的结合作用，改善界面相容性，从而获得导热性能良好的BN/PI复合材料。研究表明，氨基表面改性的BN颗粒（BN-NH2/PI）在高填充质量分数下具有更好的导热性能，而羧基表面改性的BN颗粒（BN-COOH/PI）在填料质量分数为2%时可以获得最高的热扩散系数。这些结果表明，表面改性可以显著改善BN/PI复合材料的导热性能，从而提高其在变频电机等高热应力环境中的应用潜力。六方氮化硼功能化改性：电子器件领域的导热粉体革命 六方氮化硼（h-BN）在电子器件领域显示出显著的优势，它不仅具有低密度和类石墨的层状晶型结构，能够提高导热性，还能保持电绝缘性能。然而，h-BN表面缺乏活性基团，导致其在有机溶剂和聚合物基体中的分散性差，这限制了其对聚合物材料性能的提升效果。因此，功能化改性成为使用h-BN的关键。 功能化改性包括非共价键改性和共价键改性。非共价键改性通过有机分子或无机分子的范德华力、氢键或π-π键作用对h-BN表面进行修饰，使其在有机溶剂和聚合物中稳定分散。共价键改性则通过羟基化、氨基化或掺杂异质原子等方法，将有机或无机化合物共价接枝到h-BN表面。这些改性方法不仅提高了h-BN的分散性，还赋予了其新的物理化学性质。 东超新材采用有机硅表面处理剂对h-BN进行表面改性，开发了低比重导热硅胶垫片用填料，产品在满足压延加工性能的同时，能实现低填充高导热，有效降低有机硅复合材料的比重增加幅度。通过不同的修饰方法对h-BN进行改性，为h-BN在不同领域的应用提供了更广阔的前景。
以上内容来源于《氮化硼表面改性基团对氮化硼/聚酰亚胺复合材料导热特性的影响》，发布在《绝缘材料》2023年第2期。
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