采用球形氧化鋁與片狀六方氮化硼互連制備高導熱復合材料

BN固有的導熱各向異性性能（平面內熱導率 400?2000 W/m·K，垂直平面熱導率為 30 W/m·K），以及其與聚合物相容性差，難分散的特點，導致其在復合材料中難以構建高效的導熱網絡，使得BN/聚合物材料中很難實現各向同性的超高導熱率。為此南京大學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熱網絡結構。片狀氮化硼面內傳熱效率高，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相互作用促進了三維導熱網絡內部的有效傳熱。與單一填料復合材料相比，球形氧化鋁和片狀氮化硼組合的復合材料具有良好的導熱性能，面外導熱系數為 2.2 W/m·K，面內導熱系數為11.6 W/m·K。此外，復合材料還展現出良好的力學性能和熱穩定性。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，采用硅烷偶聯劑KH550作為改性劑并通過共價鍵接枝到氧化鋁 Al2O3 表面，有機改性層可增強填料間的界面結合作用，降低界面熱阻，從而提高熱量在復合材料內部傳輸效率。

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

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

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，建立豐富的熱傳導路徑，提高了熱傳導網絡的完整性，減少了內部缺陷。

圖4. (a) 填料含量為0-50 wt%時氮化硼h-BN/PVA復合材料和m-h-BN/PVA復合材料的面內熱導率；(b) 填料含量0-50 wt%時Al2O3/PVA復合材料和m-Al2O3/PVA復合材料的面內熱導率；(c-d) m-h-BN含量為0-50 wt%的m-h-BN/m-Al2O3/PVA復合材料的面內、面外熱擴散系數和熱導率；(e) m-h-BN/m-Al2O3/PVA復合材料的面內及面外熱導率提高率；(f) m-h-BN/m-Al2O3/PVA復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復合材料的力學性能：(a) 應力-應變曲線，(b) 斷裂伸長率，(c)拉伸強度，(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復合材料的有限元模擬以及相應的等溫線(d-f)。

假設各填料都均勻分布在 PVA 基體中，所有模型的邊界溫度均設為 90℃，如圖6a-c所示。在恒溫熱源下，到達穩定狀態后， 氮化硼h-BN/氧化鋁Al2O3/PVA 復合材料的末端溫度為 19.92℃（圖6d），低于 h-BN/PVA 復合材料的 22.69℃（圖6e）及Al2O3/PVA 復合材料的 24.15℃（圖6f)，結果表明 h-BN/Al2O3/PVA復合材料的散熱性能最為優異。

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