三維氮化硼作為導熱填料，效果更突出！

聚合物基導熱材料因成本低廉且具有良好的加工特性而得到廣泛應(yīng)用，通常由導熱填料和聚合物基質(zhì)組成。一些電子器件例如5G通信和大規(guī)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。

常用的絕緣導熱填料有氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、氮化鋁、氮化硼、碳化硅等，其中，氮化硼（BN）導熱系數(shù)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(yōu)勢。

傳統(tǒng)導熱填料的缺陷

對于傳統(tǒng)的聚合物基導熱材料，一般是將導熱填料隨機分散于聚合物基體中。隨著填料含量的增加，填料與填料之間逐漸形成導熱通路，填料與填料間的熱阻也逐漸減小，在宏觀上表現(xiàn)為熱導率的上升。

但是，由于填料間缺乏直接接觸或相互作用，使得聲子傳輸通路不暢，阻礙了熱導率的進一步提升。此外，填料含量的進一步提升也極大地增加了填料-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（如力學性能和絕緣性能等）的下降。

提高氮化硼填料導熱的方式
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(jié)構(gòu)比之聚合物相對規(guī)整，因此聲子在BN晶體面內(nèi)能夠較快地傳輸，BN晶體尺寸越大、晶體缺陷越少，其熱導率就越高。此外，在填料與聚合物基體的界面處，聲子會發(fā)生散射，從而表現(xiàn)為填料-基體界面熱阻。

BN晶體尺寸越大，缺陷越少

要實現(xiàn)聚合物復合材料的高導熱性，一般除了開發(fā)新的高導熱材料之外，還可以從以下幾個方面入手：①通過適當?shù)姆椒ㄊ固盍洗罱悠饋?，?gòu)筑完善的導熱通路；②對填料或者基體進行修飾，減小填料與基體間的界面熱阻，同時提高填料在基體中的分散性。

因此，在聚合物基體中構(gòu)筑三維填料網(wǎng)絡(luò)是一種思路，這種方法能高效地構(gòu)建導熱通路，相比于隨機分散填料體系，可以在低填料含量下表現(xiàn)出更高的導熱性能。
氮化硼填料的三維構(gòu)筑方法

雜化填料
不同填料的形狀尺寸不同，混合后填料間的導熱通路比單一填料更加豐富，從而更高效地構(gòu)建三維導熱網(wǎng)絡(luò)。

使用雜化填料主要有以下優(yōu)勢：

①不同幾何形狀的導熱填料之間存在協(xié)同效應(yīng)，可使復合材料在低填料含量下實現(xiàn)更高的熱導率，同時還能很好地保持聚合物基體的本征優(yōu)勢，例如優(yōu)異的機械性能及加工特性；

②加入填料能夠賦予復合材料其他的功能，例如阻燃性和疏水性等。
例如，纖維素納米纖維(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(wěn)定無機填料，增強無機填料在聚合物基質(zhì)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
模板法一般以多孔材料為模板，在其上生長或沉積BN，從而得到三維BN骨架。模板可采用金屬泡沫、石墨烯泡沫、塑料泡沫等。
模板法制備三維BN骨架
模板法所構(gòu)筑的三維導熱網(wǎng)絡(luò)具有導熱通路連貫、微觀結(jié)構(gòu)相對可控以及填料質(zhì)量高的優(yōu)點，但缺點是填料含量偏低。由于模板本身密度不高，在其上附著的BN含量也少。有研究利用壓縮模板來提高填料含量的方法，但該方法仍然很難將填料含量提升至50%以上，故而對復合材料導熱性能的提升存在較大的限制。
自組裝法
自組裝法是在BN的溶液體系中，引入能使體系內(nèi)分子產(chǎn)生相互作用(分子間吸引、排斥或形成化學鍵等)的條件，使BN組裝成3D網(wǎng)絡(luò)的方法。
例如，氧化石墨烯(GO)在水溶液中會呈現(xiàn)類似液晶相的排列，利用此性質(zhì)，將BN與GO一同經(jīng)水熱反應(yīng)后，可組裝成氮化硼-還原氧化石墨烯(BN-rGO)三維網(wǎng)絡(luò)。
BN-rGO三維結(jié)構(gòu)復合材料
自組裝法實現(xiàn)較模板法更為簡便，且填料含量上限也比模板法要高，但這種方法會引入粘結(jié)劑或者高導電性填料來輔助其三維網(wǎng)絡(luò)的形成，這些物質(zhì)的引入會造成導熱通路的不連貫或者絕緣性能的下降。
其他方法
采用靜電紡絲及熱壓等方法將氮化硼與聚合物定向堆疊相互連接；通過溶液法制備三元復合材料，復合材料中分布三維分離網(wǎng)絡(luò)，這種制備方法簡便、成本低，可大規(guī)模制備三維填料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復合材料，且具備良好的熱穩(wěn)定性；采用機械化學法，使填料與聚合物基體間形成共價鍵，從而實現(xiàn)填料的均勻分散并降低填料與基質(zhì)間的界面熱阻。
靜電紡絲法制備的三維網(wǎng)絡(luò)導熱材料
總結(jié)
三維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(yīng)用于多種場合，包括太陽能光熱發(fā)電和熱界面材料等領(lǐng)域，有著廣闊的應(yīng)用前景。
然而目前還存在以下問題：
（1）由于BN的化學惰性，BN在聚合物基體中容易發(fā)生團聚，因此分散性較差，如何有效改善填料與基體間的相容性，進一步降低界面熱阻仍然值得探索；
（2）雜化填料能夠利用不同填料的協(xié)同效應(yīng)來構(gòu)建三維網(wǎng)絡(luò)，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(wěn)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(yīng)考慮復合材料的電絕緣性；
（3）由模板法所構(gòu)建的BN三維導熱材料的填料含量難以提升；

（4）預先構(gòu)建三維導熱網(wǎng)絡(luò)之后，需要采用真空浸漬法將聚合物基質(zhì)灌入其中，若聚合物前驅(qū)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(xiàn)空泡，大大降低其導熱性。因此，應(yīng)合理選擇聚合物基體，并不斷優(yōu)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(guān)鍵性問題，真正實現(xiàn)生產(chǎn)應(yīng)用，仍需要結(jié)合下游應(yīng)用需求進一步探索。
參考來源：

三維氮化硼結(jié)構(gòu)及其導熱絕緣聚合物納米復合材料，姜文政、林瑛、江平開、黃興溢（上海交通大學上海市電氣絕緣和熱氧老化重點實驗室）。