聚合物基(ji)導熱(re)材料(liao)因成(cheng)本低廉且具有良好的加工特性(xing)而(er)得到廣泛應用(yong)，通常由導(dao)熱填(tian)料和聚合物基質組成。一(yi)些電子器件例如5G 通信和大規模集成電路等場合不僅要求散熱材料具備高導熱性能，還要求其具有良好的絕緣性能。
常用的絕緣導(dao)熱(re)填料有(you)氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、氮(dan)化鋁、氮(dan)化硼、碳化硅等，其(qi)中，氮(dan)化硼（BN）導熱系數屬于較高的級別，且不會像氮化鋁一樣水解，以及密度只有2.2g/cm3，而且在漿料中不易沉降，因此作為導熱填料有獨到優勢。
傳統導熱(re)填料的缺(que)陷
對于傳統的聚(ju)合(he)物基(ji)導(dao)(dao)熱(re)材料(liao)，一般(ban)是將導(dao)(dao)熱(re)填(tian)料(liao)隨機分散于聚(ju)合(he)物基(ji)體(ti)中。隨著填(tian)料(liao)含量的增加，填(tian)料(liao)與(yu)填(tian)料(liao)之間逐(zhu)漸形(xing)成(cheng)導(dao)(dao)熱(re)通路(lu)，填(tian)料(liao)與(yu)填(tian)料(liao)間的熱(re)阻也逐(zhu)漸減(jian)小，在宏觀上(shang)表現(xian)為熱(re)導(dao)(dao)率的上(shang)升。
但(dan)是，由于(yu)填料間(jian)缺乏直接(jie)接(jie)觸或相(xiang)互(hu)作用，使得聲子傳輸通路不暢，阻礙(ai)了(le)熱(re)導率的進一步提(ti)升(sheng)。此外，填(tian)料(liao)(liao)含(han)量的進一步提(ti)升(sheng)也極大地(di)增加了(le)填(tian)料(liao)(liao)-基體界面面積，而一些導熱填料與基體的相容性差，兩者之間缺乏導熱通路，導致填料與基體間熱阻的上升，影響導熱性能。進一步地，相容性差還會導致填料的團聚，在基體中不容易分散，還會導致復合材料其他性能（如(ru)力學性能和絕緣性能等）的下降(jiang)。
提高(gao)氮化硼填(tian)料導熱(re)的方式
在BN中，導熱載體為聲子，對于以BN作為導熱填料的聚合物基材料，在根本上是由聲子運動、傳播以及散射所支配。對于BN本身來說，由于其結構比之聚合物相對規整，因此聲子在BN晶體面內能夠較快地傳輸，BN晶(jing)體(ti)尺寸越(yue)大(da)、晶(jing)體(ti)缺陷越(yue)少，其熱導(dao)率就越(yue)高(gao)。此外，在填(tian)料與聚合物基體的界面處，聲子會發生散射，從而表現為填(tian)料-基體界面熱阻。
BN晶體尺寸越大(da)，缺陷越少
要(yao)實(shi)現(xian)聚合(he)(he)物復合(he)(he)材(cai)料的高導熱(re)性(xing)，一般除了開發新的高導熱材料(liao)之外，還可以從以下幾個方(fang)面入手：① 通(tong)過適(shi)當的方法使填(tian)料(liao)搭接起來，構筑(zhu)完善(shan)的導(dao)熱通(tong)路(lu)；② 對填(tian)料(liao)或(huo)者基體(ti)進行修(xiu)飾，減(jian)小填(tian)料(liao)與基體(ti)間的界面熱阻，同時提
高填料在基體(ti)中(zhong)的分散(san)性。
因(yin)此(ci)，在聚合物基體中構筑三維填(tian)料網絡是一種(zhong)(zhong)思路，這種(zhong)(zhong)方法能高效(xiao)地構(gou)建導(dao)熱(re)通(tong)路，相(xiang)比于隨(sui)機分散(san)填(tian)(tian)料體系，可以在低(di)填(tian)(tian)料含(han)量下表現出更高的導(dao)熱(re)性能。
氮化硼填(tian)料(liao)的三維構筑方(fang)法(fa)
1. 雜化填料
不同填料(liao)(liao)的(de)形狀(zhuang)尺(chi)寸不同，混合后填料(liao)(liao)間的(de)導(dao)(dao)熱通路比單一填料(liao)(liao)更加豐富，從而更高效地構建三維導(dao)(dao)熱網絡。
使用雜化填料主要有(you)以下優勢：
①不(bu)同(tong)幾何形狀的導(dao)(dao)熱(re)填料之間存在協同(tong)效應，可使復合(he)材料在低填料含量下實(shi)現更高的熱(re)導(dao)(dao)率，同(tong)時(shi)還能(neng)很(hen)好地(di)保持聚合(he)物基體的本(ben)征優勢，例如(ru)優異的機械性能(neng)及加工特性；
②加入填料能(neng)夠賦予復合材料其他的(de)功(gong)能(neng)，例如阻燃性和疏水性等。
例如，纖維素納(na)米纖維(CNFs)具有可再生、來源豐富以及易制備為氣凝膠的特點。此外，纖維素納米纖維能夠穩定無機填料，增強無機填料在聚合物基質中的分散性。因此，可將其與BN混合使用，作為導熱復合材料的填料。
BN與纖維素納米纖維(CNFs)復合(he)
2. 模(mo)板法
模(mo)板法一般(ban)以多孔材料(liao)為(wei)模(mo)板，在其上生長或沉(chen)積BN，從而得到三維BN骨架。模(mo)板可采用金屬泡(pao)沫、石墨烯(xi)泡(pao)沫、塑料泡(pao)沫等。
模板法制備三(san)維(wei)BN骨架
模板法(fa)所(suo)構(gou)筑的三維導熱網絡具有(you)導熱通路連貫、微觀(guan)結構相(xiang)對可(ke)控以及填料質量高的優點，但缺點是(shi)填料含(han)量偏低(di)。由(you)于模(mo)板(ban)本身(shen)密度(du)不高，在其上附著的 BN 含量也少。有研(yan)究利用壓(ya)縮模(mo)板來提(ti)高(gao)填(tian)料含(han)量(liang)的方法，但該方法仍然(ran)很(hen)難將填(tian)料含(han)量(liang)提(ti)升至50%以上，故而對復合材料導熱性能的提升存在(zai)較大的限制。
3. 自(zi)組裝法(fa)
自組裝(zhuang)法是在BN的溶液體系中，引入能使體系內分子(zi)產生相互作用(分子間吸引、排斥或形成化學鍵等)的條(tiao)件(jian)，使BN組裝成3D網絡(luo)的方法。
例如，氧化石墨烯(GO)在水溶(rong)液(ye)中會呈(cheng)現類似液(ye)晶(jing)相的排列，利用(yong)此性質，將BN與GO一同經(jing)水熱反應后(hou)，可組裝(zhuang)成氮化硼-還原氧化石墨烯(BN-rGO)三維網絡。
BN-rGO三維結(jie)構復(fu)合(he)材料
自組裝法實(shi)現較模板法更為簡便，且填料含(han)量上限也(ye)比(bi)模板法要高，但這(zhe)種(zhong)方法會引入(ru)粘(zhan)結劑(ji)或者高導電性填料來輔助其三維(wei)網(wang)絡的(de)形成(cheng)，這些物(wu)質的(de)引(yin)入(ru)會造成(cheng)導熱(re)通路的(de)不連貫或者(zhe)絕緣性能的(de)下降。
4. 其他方法
采用靜電紡絲(si)及熱壓等方(fang)法將氮化硼與聚合(he)物定向堆疊(die)相互連(lian)接；通過溶液法制(zhi)備(bei)三(san)元(yuan)復合(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)，復合(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)中分布(bu)三(san)維分離網絡(luo)，這種(zhong)制(zhi)備(bei)方(fang)法簡便(bian)、成本低，可(ke)大規(gui)模制(zhi)備(bei)三(san)維填(tian)(tian)料(liao)(liao)網絡(luo)結構的(de)復合(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)，且具備(bei)良好(hao)的(de)熱穩(wen)定性；采(cai)用機械化學法，使(shi)填(tian)(tian)料(liao)(liao)與聚合(he)物基體間形成共價鍵，從(cong)而實現填(tian)(tian)料(liao)(liao)的(de)均勻分散并降低填(tian)(tian)料(liao)(liao)與基質(zhi)間的(de)界(jie)面熱阻(zu)。
靜(jing)電(dian)紡絲法(fa)制備的三維(wei)網絡導熱材料(liao)
總結
三(san)維(wei)BN聚合物復合材料的高導熱性及良好的絕緣性使得其能夠應用于多種場合，包括太陽能光熱發電和熱界面材料等領域，有著廣闊的應用前景。
然而目(mu)前還存在以下問題：
（1）由于(yu)BN的化學惰性，BN在聚合物基體中容易發生團聚，因此分散性較差，如何(he)有(you)效改(gai)善填料與基體(ti)間的相容性，進一步降低界面熱阻(zu)仍然值得探索；
（2）雜化填料能夠利用不同填料的協同效應來構建三維網絡，提升導熱性能的同時，不同的填料也能賦予復合材料更多性能（如阻燃性、熱穩定性及疏水性等）。但也需要注意的是，不少填料本身具有強導電性（如石墨烯、炭黑等)，將BN與導電填料混合時，應考慮復合材料的電絕緣性；
（3）由模板法所構建的 BN 三維導熱材料的填料含量難以提升；
（4）預先構建三維導熱網絡之后，需要采用真空浸漬法將聚合物基質灌入其中，若聚合物前驅體黏度過大，極易導致聚合物填充不完全，使復合材料中出現空泡，大大降低其導熱性。因此，應合理選擇聚合物基體，并不斷優化復合材料的制備工藝。
總而言之，三維BN導熱填料是一個重點研究方向，但怎么解決其實際制備中的一些關鍵性問題，真正實現生產應用，仍需要結合下游應用需求進一步探索。
參考來源：
三維氮化硼結(jie)構及其導熱絕(jue)緣聚合物納米復(fu)合材料，姜(jiang)文(wen)政、林瑛、江平開、黃興溢（上(shang)海交通大(da)學(xue)上(shang)海市電氣絕緣和熱(re)氧老化重點實(shi)驗室(shi)）。
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