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氮化硼納米片填充聚合物制備高導熱絕緣復合材料

發布日期:2019-02-21 作者: 點擊:

    近年來,高功率密度和高集成已成為電力設備和電子器件的發展方向,其運行過程中所產生的熱量越來越高,良好的散熱能力就成為保證器件穩定運行的關鍵因素。

    聚合物材料一直以來被廣泛運用作為電力設備的絕緣材料,但絕大部分聚合物導熱性能差,嚴重制約了各類器件導熱能力的提升。目前,為解決這一問題,主要方法是通過在聚合物中摻雜高導熱率的導熱填料制備高導熱聚合物基復合材料,以提高材料的導熱性能。通常來說,提高填充量會使得復合材料的導熱系數顯著提高,但高填充量下材料熱導率的提高往往也伴隨著加工、機械性能、力學性能的下降,因此,在低填充量下實現高效熱管理能力是制備綜合性能優良的高導熱絕緣材料的巨大挑戰。

    常見的導熱填料主要有碳類(碳納米管、石墨烯)、無機非金屬(氮化硼、氮化鋁、氮化硅)、氧化物(氧化鎂、氧化鋁、氧化硅)等。其中,氮化硼納米片因此超高導熱率、電絕緣的特性被認為是高導熱絕緣領域的關鍵材料之一。

    近期,上海交通大學江平開教授團隊在期刊ACS Nano上發表的文章中,提出了利用靜電紡絲法,制備高導熱絕緣的聚合物基氮化硼納米片納米復合薄膜,在低填充量下同時實現聚合物絕緣材料導熱系數的大幅增強,同時材料的絕緣性能也顯著提高。

    文章報道了利用聚偏二氟乙烯(PVDF)作為基體,摻雜氮化硼納米片(BNNS)首先制備紡絲液,后利用靜電紡絲技術制備面內方向取向和相互連接的BNNS/PVDF復合纖維,通過簡單折疊和冷壓/熱壓結合方式制備得到BNNS/PVDF復合材料。


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圖1 BNNS/PVDF納米復合薄膜的制備示意圖


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圖2 (a)復合材料25℃條件下面內和穿透面導熱率

(b)納米復合薄膜的熱流面內轉移示意圖

                                      (c)納米復合薄膜導熱能力的各向異性

                                      (d)復合薄膜面內導熱率和厚度的關系

        (e)BNNS/PVDF復合材料與其他材料導熱能力對比

    同時,相關測試結果也顯示BNNS的加入使得制備的復合材料相比較原始PVDF材料具有更好的電絕緣性能。更進一步,文章中還提到了將該復合材料集成作為晶體管的散熱界面材料。通過測試顯示其具有比目前商用界面材料更好的熱管理能力,這也表面該復合材料在導熱絕緣領域有著良好的應用前景。

    此外,不只是BNNS/PVDF復合材料,氮化硼納米片也能被作為填充材料加入環氧樹脂、纖維素等基體中,有效改善材料的導熱能力??偠灾?,隨著電氣系統和電子設備的快速發展,六方氮化硼(h-BN)特別是氮化硼納米片(BNNS)因其高導熱性能、低介電常數和介電損耗、良好的抗氧化性能,相信會成為滿足高熱管理性能領域的理想材料。















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