采用球形氧化铝与片状六方氮化硼互连制备高导热复合材料

BN固有的导热各向异性性能（平面内热导率 400−2000 W/m·K，垂直平面热导率为 30 W/m·K），以及其与聚合物相容性差，难分散的特点，导致其在复合材料中难以构建高效的导热网络，使得BN/聚合物材料中很难实现各向同性的超高导热率。为此南京大学姚亚刚教授课题组采用一种高效且绿色的制备策略，将不同尺寸的功能化球形氧化铝（m-Al₂O₃）插入到功能化片状六方氮化硼（m-h-BN）中，制备了一种致密堆叠的三维导热网络结构。片状氮化硼面内传热效率高，而不同尺寸的球形氧化铝嵌入到相邻氮化硼片之间的间隙中，有利于面外方向的传热。此外，氧化铝和氮化硼之间的强相互作用促进了三维导热网络内部的有效传热。与单一填料复合材料相比，球形氧化铝和片状氮化硼组合的复合材料具有良好的导热性能，面外导热系数为 2.2 W/m·K，面内导热系数为11.6 W/m·K。此外，复合材料还展现出良好的力学性能和热稳定性。研究成果以“Preparation of quasi-isotropic thermal conductive composites by interconnecting spherical alumina and 2D boron nitride flakes”为题发表于《Rare Metals》。 以下是该成果的图文摘要

图1. m-h-BN片状六方氮化硼/m-Al₂O₃球形氧化铝/PVA复合材料的制备流程图。

图2. SEM: (a) 氮化硼h-BN，(b) PVP@氮化硼h-BN (m-h-BN)，(d) 氧化铝Al2O3，(e) KH550@Al2O3 (m-Al2O3)；FTIR光谱：(c) h-BN和m-h-BN，(f) Al2O3和m-Al2O3。

PVP有助于氮化硼h-BN在基体中良好分散和连接分散的h-BN，从而降低填料之间的界面热阻。此外，采用硅烷偶联剂KH550作为改性剂并通过共价键接枝到氧化铝 Al2O3 表面，有机改性层可增强填料间的界面结合作用，降低界面热阻，从而提高热量在复合材料内部传输效率。

图3. (a) A0B5，(b) A1B4，(c) A2B3，(d) A3B2，(e) A4B1，(f) A5B0复合材料的SEM图。

（A为m-Al₂O₃球形氧化铝Al2O3， B为m-h-BN氮化硼h-BN，数字为各填料在复合材料中的质量比）

随着氧化铝Al2O3含量的增加，杂化填料取代了单一填料，不同尺寸的氧化铝Al2O3的组合可构建一个更紧凑的体系。大尺寸的氧化铝可以上下连接氮化硼薄片面外方向并促进传热；小尺寸球形氧化铝则起到了桥梁的作用，可填充大尺寸球之间的空隙及纳米片和球体之间的空隙，建立丰富的热传导路径，提高了热传导网络的完整性，减少了内部缺陷。

图4. (a) 填料含量为0-50 wt%时氮化硼h-BN/PVA复合材料和m-h-BN/PVA复合材料的面内热导率；(b) 填料含量0-50 wt%时Al2O3/PVA复合材料和m-Al2O3/PVA复合材料的面内热导率；(c-d) m-h-BN含量为0-50 wt%的m-h-BN/m-Al2O3/PVA复合材料的面内、面外热扩散系数和热导率；(e) m-h-BN/m-Al2O3/PVA复合材料的面内及面外热导率提高率；(f) m-h-BN/m-Al2O3/PVA复合材料的热各向异性。(注:c-f中m-h-BN和m-Al2O3的总含量为50 wt%)

图5. 不同填料含量下氮化硼m-h-BN/氧化铝m-Al2O3/PVA复合材料的力学性能：(a) 应力-应变曲线，(b) 断裂伸长率，(c)拉伸强度，(d) 杨氏模量。

图6. (a) 氮化硼h-BN/氧化铝Al2O3/PVA，(b) h-BN/PVA，(c) Al2O3/PVA复合材料的有限元模拟以及相应的等温线(d-f)。

假设各填料都均匀分布在 PVA 基体中，所有模型的边界温度均设为 90℃，如图6a-c所示。在恒温热源下，到达稳定状态后， 氮化硼h-BN/氧化铝Al2O3/PVA 复合材料的末端温度为 19.92℃（图6d），低于 h-BN/PVA 复合材料的 22.69℃（图6e）及Al2O3/PVA 复合材料的 24.15℃（图6f)，结果表明 h-BN/Al2O3/PVA复合材料的散热性能最为优异。

原文 | https://doi.org/10.1007/s12598-022-02195-8