采用球形氧化鋁與片狀六方氮化硼互連制備高導(dǎo)熱復(fù)合材料

BN固有的導(dǎo)熱各向異性性能（平面內(nèi)熱導(dǎo)率 400?2000 W/m·K，垂直平面熱導(dǎo)率為 30 W/m·K），以及其與聚合物相容性差，難分散的特點，導(dǎo)致其在復(fù)合材料中難以構(gòu)建高效的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，使得BN/聚合物材料中很難實現(xiàn)各向同性的超高導(dǎo)熱率。為此南京大學(xué)姚亞剛教授課題組采用一種高效且綠色的制備策略，將不同尺寸的功能化球形氧化鋁（m-Al₂O₃）插入到功能化片狀六方氮化硼（m-h-BN）中，制備了一種致密堆疊的三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。片狀氮化硼面內(nèi)傳熱效率高，而不同尺寸的球形氧化鋁嵌入到相鄰氮化硼片之間的間隙中，有利于面外方向的傳熱。此外，氧化鋁和氮化硼之間的強(qiáng)相互作用促進(jìn)了三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的有效傳熱。與單一填料復(fù)合材料相比，球形氧化鋁和片狀氮化硼組合的復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)熱性能，面外導(dǎo)熱系數(shù)為 2.2 W/m·K，面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)為11.6 W/m·K。此外，復(fù)合材料還展現(xiàn)出良好的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。研究成果以“Preparation of quasi-isotropic thermal conductive composites by interconnecting spherical alumina and 2D boron nitride flakes”為題發(fā)表于《Rare Metals》。 以下是該成果的圖文摘要

圖1. m-h-BN片狀六方氮化硼/m-Al₂O₃球形氧化鋁/PVA復(fù)合材料的制備流程圖。

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

PVP有助于氮化硼h-BN在基體中良好分散和連接分散的h-BN，從而降低填料之間的界面熱阻。此外，采用硅烷偶聯(lián)劑KH550作為改性劑并通過共價鍵接枝到氧化鋁 Al2O3 表面，有機(jī)改性層可增強(qiáng)填料間的界面結(jié)合作用，降低界面熱阻，從而提高熱量在復(fù)合材料內(nèi)部傳輸效率。

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

（A為m-Al₂O₃球形氧化鋁Al2O3， B為m-h-BN氮化硼h-BN，數(shù)字為各填料在復(fù)合材料中的質(zhì)量比）

隨著氧化鋁Al2O3含量的增加，雜化填料取代了單一填料，不同尺寸的氧化鋁Al2O3的組合可構(gòu)建一個更緊湊的體系。大尺寸的氧化鋁可以上下連接氮化硼薄片面外方向并促進(jìn)傳熱；小尺寸球形氧化鋁則起到了橋梁的作用，可填充大尺寸球之間的空隙及納米片和球體之間的空隙，建立豐富的熱傳導(dǎo)路徑，提高了熱傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的完整性，減少了內(nèi)部缺陷。

圖4. (a) 填料含量為0-50 wt%時氮化硼h-BN/PVA復(fù)合材料和m-h-BN/PVA復(fù)合材料的面內(nèi)熱導(dǎo)率；(b) 填料含量0-50 wt%時Al2O3/PVA復(fù)合材料和m-Al2O3/PVA復(fù)合材料的面內(nèi)熱導(dǎo)率；(c-d) m-h-BN含量為0-50 wt%的m-h-BN/m-Al2O3/PVA復(fù)合材料的面內(nèi)、面外熱擴(kuò)散系數(shù)和熱導(dǎo)率；(e) m-h-BN/m-Al2O3/PVA復(fù)合材料的面內(nèi)及面外熱導(dǎo)率提高率；(f) m-h-BN/m-Al2O3/PVA復(fù)合材料的熱各向異性。(注:c-f中m-h-BN和m-Al2O3的總含量為50 wt%)

圖5. 不同填料含量下氮化硼m-h-BN/氧化鋁m-Al2O3/PVA復(fù)合材料的力學(xué)性能：(a) 應(yīng)力-應(yīng)變曲線，(b) 斷裂伸長率，(c)拉伸強(qiáng)度，(d) 楊氏模量。

圖6. (a) 氮化硼h-BN/氧化鋁Al2O3/PVA，(b) h-BN/PVA，(c) Al2O3/PVA復(fù)合材料的有限元模擬以及相應(yīng)的等溫線(d-f)。

假設(shè)各填料都均勻分布在 PVA 基體中，所有模型的邊界溫度均設(shè)為 90℃，如圖6a-c所示。在恒溫?zé)嵩聪?，到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)后， 氮化硼h-BN/氧化鋁Al2O3/PVA 復(fù)合材料的末端溫度為 19.92℃（圖6d），低于 h-BN/PVA 復(fù)合材料的 22.69℃（圖6e）及Al2O3/PVA 復(fù)合材料的 24.15℃（圖6f)，結(jié)果表明 h-BN/Al2O3/PVA復(fù)合材料的散熱性能最為優(yōu)異。

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