010-82930964 
编号：NMJS09797
篇名：六方氮化硼纳米片/聚合物复合导热材料制备与性能研究
作者：贾萍萍
关键词： 六方氮化硼纳米片; 复合材料; 界面结构; 导热性能;
机构： 山东理工大学
摘要： 热界面材料（TIMs）开发对于推动5G通信、大数据、人工智能和新能源技术的快速发展具有重要意义。六方氮化硼（h-BN）/聚合物纳米复合导热材料是TIMs领域的研究热点。开发具备结构与性能可控的高导热、高绝缘六方氮化硼纳米片（BNNSs）/聚合物复合材料对促进TIMs发展十分关键。然而,目前BNNSs的高效可控制备及其在聚合物基体中导热结构的有效构建与调控仍然是亟待解决的技术难题。为此,本研究以制备高质量的BNNSs/聚合物纳米复合导热材料为研究目标,开发出导热性、绝缘性、耐蚀性、柔弹性等多功能可调控的导热复合材料制备技术,探索了其微结构的精确调控方法,优化了制备工艺,构建起具有水平、垂直及复合取向结构的导热材料,探究了其构效关系及调控机理。 利用高压均质产生的高于h-BN临界剥离剪切速率的超高剪切速率(1.97×10～7s-1),实现了尺寸可控BNNSs的高效宏量制备。研究了溶剂性质、压力及循环道次和h-BN横向尺寸对高压均质剥离的影响规律,发现以异丙醇/去离子水混合溶液为溶剂时,BNNSs的分散性好且产率超过75%。高压均质过程中,压力过低、处理时间过短不能提供足够大的剪切速率,无法对h-BN进行有效剥离,而压力过大、处理时间过长则会引起较强的碰撞力,破坏BNNSs横向结构并降低横向尺寸。当压力为80 MPa、循环道次为30次时,可较好地平衡尺寸和产率,对30μm大横向尺寸原料展现出最好的剥离效果,所得BNNSs平均厚度为2.0 nm,平均横向尺寸为9.57μm。通过XRD、FT-IR、XPS等测试证实,高压均质法可在异丙醇/去离子水溶液溶剂中成功剥离制备BNNSs,同时不产生额外官能团且维持完好的晶体结构,具有较强的工业化潜力。基于此,采用空气/水界面自组装法制备出具有水平取向结构的可拉伸柔性BNNSs/TPU纳米复合导热薄膜。研究了负载量、拉伸形变对薄膜机械和导热性能的影响规律,发现添加30 wt.%的高含量BNNSs,复合薄膜仍可承受350%以上的应变,杨氏模量低至0.08 MPa,保持其优异的柔弹性和可拉伸性能。热导率随BNNSs负载量的增加而增大,当BNNSs含量为30 wt.%时,BNNS/TPU面内热导率可达5.65 W/（m·K）,经拉伸应变后,面内热导率仍保持在4.72 W/（m·K）,在实际应用中表现出出色的各向异性热管理性能。构建了界面热阻理论计算模型,揭示了声子传输机理,发现较长声子平均自由程、较大的接触面积和较低的界面密度可以降低面内方向的界面热阻,有利于声子沿大横向尺寸BNNS的面内方向传输,从而使得复合薄膜具有导热性和柔弹性的协调平衡性能。 提出了一种磁场辅助喷涂法制备取向可控的复合涂层新技术。通过在含氟盐的溶剂中高压均质处理获得氮化硼纳米片（BNNS）并实现氟离子（F-）功能化改性（FBNNSs）,经简单搅拌制备出具有磁响应能力的Fe3O4@FBNNSs纳米片,通过外加磁场可实现该纳米片的取向控制。使用喷枪就可以在任意热源器件表面实现“垂直+水平”双取向可控的Fe3O4@FBNNS/PTFE复合涂层制备。研究了低含量（0～30 wt.%）Fe3O4@FBNNSs填料对复合涂层微观组织和导热性能的影响规律,当Fe3O4@FBNNSs的负载量为20 wt.%时,所制备的导热涂层的通面热导率最高,达到5.86 W/（m·K）。研究了双取向结构对复合膜导热性能的影响规律,具有垂直取向的导热涂层沿膜厚方向导热快,最终温度高,易产生局部过热;具有水平取向结构的复合涂层具有最大的面内热导率,沿膜厚方向导热慢,最终温度低;而“垂直+水平”复合取向结构的复合涂层介于两者之间。因此,所提出的取向结构控制方法和复合涂层制备技术可精确调控Fe3O4@FBNNS/PTFE复合涂层的导热性能,有效地将热量引导到特定方向,实现在低填料负载量下导热通路的“定制”。 提出了一种三维分级立体热传导网络结构的导热硅脂复合材料的制备方法。通过3-氨基丙基三乙氧基硅烷（KH550）构建BNNS包覆的Al2O3微球,并与BNFs再组装搭建起Al2O3@BNNS-BNFs三维热传导网络结构。Al2O3@BNNS-BNFs促使BNNS在硅脂基体中均匀致密连续排列,与BNNS构建了“微球-薄片”桥接结构,这种独特结构使得Al2O3@BNNS-BNFs/SG复合材料即使在低填料负载量（Al2O3@BNNS-BNFs含量为20 wt.%）时,导热率仍可达1.98 W/（m·K）,高于目前商业用硅脂复合材料的热导率。此外,Al2O3@BNNS-BNFs/SG复合材料的电阻率超过1.50×1013Ω·cm,具有显著的绝缘特性。同时,与商用硅脂产品相比,该复合材料具有更高的电位和更小的电流密度,展现出优异的耐腐蚀性。在模拟海洋腐蚀环境中,Al2O3@BNNS-BNFs/SG表现出比商用硅脂产品更好的热管理性能,并且在强腐蚀、高湿度、高盐度下仍然具有优异的导热性和耐蚀性,是一种能够满足未来复杂恶劣服役环境需求的新型多功能热界面材料。
