六方氮化硼粉的良好性能及散熱優(yōu)勢

氮化硼是氮化物中最受人重視的材料之一，它有六種晶型，最常見的有立方氮化硼(c-BN)及六方氮化硼(h-BN)，其中c-BN和金剛石類似，主要用于制作切割工具，熱導(dǎo)率雖強(qiáng)但成本較高；h-BN是有類似石墨的層狀結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)的白色粉末，也被稱為白石墨。雖然導(dǎo)熱系數(shù)低于氮化鋁，但由于不會水解，以及密度只有2.2g/cm3，而且在漿料中不易沉降，因此作為導(dǎo)熱填料有獨(dú)到優(yōu)勢。

除此之外，h-BN絕緣電壓為30~40kv/mm，即使在1000℃的空氣下使用也能保有很高的絕緣特性，且耐擊穿電壓為3 kv/mm（是氧化鋁兩倍），故常用來搭配氧化鋁、氮化鋁、或氮化硅等添加在樹脂中，制成絕緣導(dǎo)熱用復(fù)合材料。

六方氮化硼粉的良好性能及散熱優(yōu)勢

不過要發(fā)揮h-BN性能，主要有以下2個方面都需要注意：

1.純度

首先是純度，h-BN顆粒的各方面性能受純度影響較大，因此制備高純度的h-BN顆粒是保證其廣泛應(yīng)用的前提，尤其要注意的是游離硼的含量——h-BN粉常會有不安定的含硼化物殘留，含硼化物是以氫鍵與h-BN粉鍵結(jié)，因氫鍵容易被破壞，使硼離子游離并與水分子的氫氧根離子結(jié)合成H3BO3(硼酸），造成產(chǎn)品污染。因此游離硼的含量越低越好，越低的游離硼意味h-BN粉越穩(wěn)定。目前直接影響純度的因素有燒制條件以及產(chǎn)品后處理等。

2.形貌

其次，由于填料的形狀與長徑比都會影響復(fù)合材料導(dǎo)熱性能（常見的有纖維狀、片狀、球狀等），因此導(dǎo)熱填料形貌的抉擇也很關(guān)鍵。當(dāng)前使用的h-BN填料多為球形和片狀，其中球形填料可以帶來更高的填充量，理論上填充率越高材料整體的導(dǎo)熱性能越好，因此h-BN球形填料是橡膠塑料復(fù)合材料的熱門候選導(dǎo)熱填料；與此同時，片狀填料也有自己的優(yōu)勢，它具有高比表面積，因此有利于構(gòu)成聲子導(dǎo)熱通道，提升體系熱導(dǎo)率，同樣也是導(dǎo)熱領(lǐng)域的大熱門選擇。

六方氮化硼粉的良好性能及散熱優(yōu)勢

片狀hBN和球形hBN粉體

那到底是球形好還是片狀好呢？即使選擇困難癥也沒關(guān)系，因?yàn)閮烧咄耆梢砸黄鹩?。單?dú)使用片狀h-BN時，由于其形狀不規(guī)則，垂直晶面方向的熱導(dǎo)率會遠(yuǎn)小于平行晶面方向熱導(dǎo)率，導(dǎo)致氮化硼高度填充到聚合物中時部分片晶取向垂直于理想熱導(dǎo)方向，而且填充率也較低，不能充分利用h-BN的導(dǎo)熱性能。

單獨(dú)使用球型h-BN雖能帶來更高的填充量，但也并非是添加量越大復(fù)合材料導(dǎo)熱能力就越優(yōu)秀。根據(jù)相關(guān)研究表明，球形氮化硼作為填充料，其填充量對硅樹脂導(dǎo)熱性和熱阻的影響。隨著氮化硼的添加，硅樹脂先達(dá)到一個導(dǎo)熱峰值，此時填充量最佳，隨著填充量逐漸添加，復(fù)合材料的熱阻加大，硅樹脂的導(dǎo)熱能力又有所下降。

但即便是最佳的填充量，h-BN球形顆粒在基體中呈現(xiàn)的依舊是“孤島狀”分布（如下圖左），顆粒與顆粒之間存在許多影響導(dǎo)熱效果的空隙。但如果能加入適量充當(dāng)“橋梁”的h-BN片狀填料，就能填充到球形氮化硼之間的空隙中，連接相鄰的BN顆粒，為BN提供更多的接觸點(diǎn)，形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步提升導(dǎo)熱效果（下圖右）。

六方氮化硼粉的良好性能及散熱優(yōu)勢六方氮化硼粉的良好性能及散熱優(yōu)勢

圖片來源：Saint-Gobain

 

總結(jié)

綜上所述，h-BN由于其良好的導(dǎo)熱性能與絕緣性能，是聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料的理想填料之一。目前看來，h-BN片層剝離、球形顆粒的制備以及在基體中的取向排列情況，均對復(fù)合材料導(dǎo)熱性能起決定性作用。除此之外，BN顆粒表面處理工藝研究也是非常重要的，千萬不可以忽視噢。