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片狀氮化硼填料用不好?表面改性要到位
日期:2022-01-06    瀏覽次數:
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隨著電子科技的飛速發展如今尺寸更小、溫度更高以及速度更快的電子器件需要比以往更強的散熱能力。否則,高溫會對電子元器件的穩定性、可靠性和壽命產生有害的影響。因此,廠商往往會在電子產品的散熱源與散熱器之間加入以聚合物為機體、以導熱粉為填料的高分子復合材料,幫助形成良好的導熱通道。但為了防止器件工作時出現短路問題,這些導熱填料必須具備電絕緣性。

片狀氮化硼填料用不好?表面改性要到位

既導熱又絕緣的氮化硼粉體,在電子領域中備受青睞

可用于電子元器件的導熱填料中,具有優異的熱導率高電絕緣性和低的熱膨脹系數的六方氮化硼(h-BN)是不得不提的佼佼者。雖然它的導熱系數雖低于氮化鋁,但由于不會水解,以及密度只有2.2g/cm3(在漿料中不易沉降,因此各方面性能更為均衡。

盡管有人認為h-BN導熱性因片狀結構而具有各向異性(即BN層內平面熱導率非常高,但在垂直BN層的方向上熱導率很低,不能有效地傳導熱量)會阻止在該領域的應用,但只要使用的方法合適,就能完美回避該問題——依據Nielsen的曲線預測,球形的無機粒子與高分子的導熱系數比(kp/km)大于100時,球形的無機粒子對復合材料的導熱提升有限。此時若添加高長徑比的片狀氮化硼,反而可以形成更完整的導熱網絡,有助于發揮幅射散熱效果獲取更高的導熱值

片狀氮化硼填料用不好?表面改性要到位片狀氮化硼填料用不好?表面改性要到位

另外,h-BN絕緣電壓為30~40kv/mm,即使在1000°C的空氣下使用仍可以保有很高的絕緣特性。而且它的耐擊穿電壓為3 kv/mm(是氧化鋁兩倍),故也能用來搭配氧化鋁、氮化鋁或氮化硅等添加在樹脂中增強絕緣性能。

總而言之,h-BN作為各種樹脂系統的散熱填料使用時,在要求良好散熱性、低介電損耗和低熱膨脹的應用中確實無可比擬。

氮化硼應用前的“改造”

H-BN百般好,但壞就壞在它化學性質太穩定,表面缺乏活性基團,和常用的導熱用高分子樹脂,如環氧樹脂/PI/Phenolics/硅膠等“相處”并不融洽,缺乏強相互作用,分散性很差,這大大限制了h-BN對聚合物材料性能的改善效果。另一方面,h-BN的化學惰性又使其難以與其他物質反應進行表面改性。

片狀氮化硼填料用不好?表面改性要到位

h-BN結構示意圖

為什么說h-BN很難表面改性呢?這是由于h-BN的晶格為氮與硼組成的平面六角形,只有片狀結構的側邊才有官能基,可以與其他物質互相反應接合就是若直接未改性的氮化硼添加在樹脂中發生層裂的原因。總而言之,因為結構上的差異,h-BN與氧化鋁等粉體表面處理最大的不同是,須先進行粉體前處理即活化處理,才能接耦合劑的官能基

目前較為成熟的氮化硼修飾策略有下圖中的六種,不同的修飾策略能夠賦予h-BN以不同的物理、化學性質,需針對不同的應用領域進行相應的改性手段。而在導熱填料領域中,以共價鍵的形式為h-BN接上化學官能團的手段最為常見。

片狀氮化硼填料用不好?表面改性要到位

①h-BN羥基化

六方氮化硼中的B原子在與N原子形成共價鍵后,還剩余空軌道,這種結構有容納電子的傾向,是親電子結構。而-OH中的氧含有孤對電子。因此,六方氮化硼易于和-OH形成化學鍵鍵合,故對六方氮化硼進行-OH化修飾是一種重要的改性手段。

經羥基化改性后的六方氮化硼可通過酯化反應進一步連接有機碳鏈,應用于生物工藝、基質填充等眾多領域,大大的拓寬了其應用領域。典型的六方氮化硼進行-OH化修飾方法包括H2O2水熱、超聲輔助水解和等離子體處理等方式。

片狀氮化硼填料用不好?表面改性要到位

通過超聲為h-BN接上-OH示意圖

②h-BN氨基化

與羥基化類似,-NH2也能對六方氮化硼表面進行化學修飾。2007年,Ikuno等人首次報道了六方氮化硼的氨基化處理。在氨氣等離子體輻照下,-NH2與氮化硼表面形成化學鍵合。與此同時,在氮化硼表面留下很多缺陷。隨后涌現出一系列氨基功能化的六方氮化硼材料,使用的工藝也層出不窮,有超聲降解法、球磨法等等。

③h-BN烷基化

另外,對h-BN進行烷基化處理也是一種有效手段。由于氮化硼中,B、N原子分別具有路易斯酸、堿特性,因此可以分別接入堿性和酸性基團進行修飾。

 

總結

h-BN由于其良好的導熱性能與絕緣性能,是聚合物基導熱復合材料的理想填料之一不過要發揮它的性能,需要做的工作也不少。

目前業者為了更好地發揮出氮化硼在熱管理中的潛力,一直在積極地投入研發,表面處理工藝研究就是其中很關鍵的一部分,是許多重點研究方向的基礎。比如說《》中提到的構筑三維填料網絡,就必須要以BN與基體具有良好的相容性為前提。總而言之,無論氮化硼“怎么玩”,它的表面修飾處理都是重中之重,千萬不要輕視噢!

 

資料來源:

六方氮化硼的剝離改性與應用,張凱麗。


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