Inom hög-teknologiska områden som elektroniska enheter, nya energifordon och LED-belysning är effektiva värmeavledningsmaterial avgörande. Traditionella polymerer uppvisar i allmänhet dålig värmeledningsförmåga och uppfyller inte kraven på värmeavledning för hög-enheter. För att ta itu med detta använder forskare fyllmedel med hög-termisk-konduktivitet i polymerer. Bornitrid (BN) har väckt stor uppmärksamhet på grund av sin utmärkta värmeledningsförmåga, elektriska isolering och kemiska stabilitet. Att använda enbart BN-fyllmedel gör det dock ofta svårt att bilda kontinuerliga och effektiva värmeledningsvägar. Genom avsiktlig design och reglering, med utgångspunkt från två aspekter – "flerdimensionell fyllnadssynergi" och "tre-nätverkskonstruktion" – kan ett effektivt värmeledningsnätverk byggas vid relativt låga fyllmedelsbelastningar och därigenom producera kompositer med hög-termisk-konduktivitet.
I. Bornitrid och fler-fyllnadsblandning
För ett enda BN-fyllmedel tenderar samma struktur och storlek att skapa tomrum i polymeren, och luftens dåliga värmeledningsförmåga begränsar förbättringen av materialets termiska prestanda. Att använda hybridfyllmedel ger följande huvudsakliga fördelar:
① Den synergistiska effekten bland fyllmedel av olika former uppnår högre värmeledningsförmåga vid lägre fyllningar samtidigt som polymerens goda mekaniska och bearbetningsegenskaper bibehålls;
② Fyllmedel kan även ge andra funktioner till materialet, såsom flamskydd och hydrofobicitet.
01 BN med noll-dimensionella fyllmedel: "punkt-plan" kombination
Noll-dimensionella fyllmedel är granulära. Två-dimensionella BN och noll-dimensionella termiskt ledande fyllmedel kombineras på ett "punkt-plan" sätt, fyller luckor mellan lamellerna, ökar packningsdensiteten och underlättar bildandet av värmeledningsnätverk. Vanliga nolldimensionella termiskt ledande fyllmedel hybridiserade med h-BN inkluderar kiselkarbidpartiklar (SiC), silvernanopartiklar (AgNPs), aluminiumoxidpartiklar (Al₂O₃) och kiseldioxidpartiklar (SiO₂).
02 BN med en-utfyllnadsmedel: kombination av "linje–plan".
En-dimensionella fyllmedel har rörformade eller linjära strukturer. BN och endimensionella termiskt ledande fyllmedel kombineras på ett "linje-plan" sätt och fungerar som "bryggor" som förbinder polymermatrisen och h-BN, vilket gör det interna värmeledningsnätverket tätare, minskar gränsytans termiska motstånd och förbättrar värmeöverföringseffektiviteten. Vanliga en-dimensionella termiskt ledande fyllmedel hybridiserade med h-BN inkluderar kolnanorör (CNT), nanotrådar av kiselkarbid (SiCNW), nanotrådar av silver (AgNW), aramidnanotrådar (ANF) och kolfibrer (CF).
03 BN med två-fyllmedel: kombination av "plan-plan".
Två-dimensionella material har flingliknande strukturer-. Forskning om BN sammansatt med två-fyllmedel fokuserar huvudsakligen på grafenoxid (GO). De två uppvisar nära gränssnittsbindning, bra fononspektrummatchning och låg gränsytas termisk resistans, vilket synergistiskt förbättrar i-planets värmeledningsförmåga. Den täta packningen av fyllmedel förbättrar både i-plan och genom-plan värmeöverföring, vilket gradvis eliminerar termisk ledningsanisotropi.
04 Termiskt ledande fyllmedel med flera-komponenter
Att hybridisera h-BN med flera typer av värmeledande fyllmedel har blivit en hotspot för forskning. Genom att öka utbudet av termiskt ledande fyllmedel skapas mer komplexa värmeledningsvägar, främjar snabb värmeöverföring och kan ge materialet flera funktioner, såsom flamskydd och hydrofobicitet. Men när typerna av termiskt ledande fyllmedel ökar, förstärks också osäkerheterna i fyllnadsarkitekturen.
II. Konstruktion av tre-dimensionella värmeledningsnätverk
Även om kompositfyllmedel av olika partikelstorlekar och morfologier effektivt kan främja bildningen av värmeledningsvägar inuti materialet, leder införandet av fyllmedel till ökad termisk motståndskraft mot gränsytan. Att konstruera ett 3D-värmeledningsnätverk minskar inte bara kontaktytan mellan fyllmedel och matris och sänker gränsytans värmemotstånd, utan etablerar också ett kontinuerligt och stabilt värmeledningsnätverk, vilket effektivt förbättrar kompositens värmeledningsförmåga vid låga fyllmedelsbelastningar. För närvarande finns det fyra huvudsakliga metoder för att konstruera 3D-värmeledningsnätverk:
01 Mallmetod: strukturellt kontrollerbar, lätt att använda
Mallmetoden används ofta för att konstruera tre-dimensionella strukturer i kompositer. Dess fördelar inkluderar exakt kontroll över nätverksstrukturen, tillämpbarhet på olika fyllmedel och matriser och enkel drift. Det kan dock inte öka fyllmedelsinnehållet avsevärt.
Ismallmetod: Använder riktad frysning av vattenhaltiga lösningar, där iskristaller växer i specifika orienteringar, för att konstruera ett 3D-värmeledningsnätverk. Det är allmänt tillämpat på grund av dess enkelhet och lätthet att använda.
Skummallmetod: Använder skum som en enkel mall, med fyllmedel med hög-termisk-ledningsförmåga som huvudkomponent. Impregneringstekniker infiltrerar flytande polymer i en förformad tredimensionell nätverksstruktur med-undertryck. Mekanisk kompression förtätar och anpassar värmeledningsnätverket och producerar högpresterande termiskt ledande kompositer för multifunktionella applikationer.
Offermallmetod: Tar bort en initial mall för att skapa ett tre-dimensionellt sammankopplat värmeledningsnätverk. Många studier har använt salt- och vattenlösligt-socker som offermallar för att förbereda 3D-nätverksstrukturer i termiskt ledande kompositer.
02 Själv-monteringsmetod
En teknik där grundläggande strukturella enheter (molekyler, nanomaterial, mikron- eller större-substanser) spontant bildar ordnade strukturer genom icke-kovalenta interaktioner. Jämfört med mallmetoden är den enklare, lägre i kostnad och tillåter en högre övre gräns för fyllmedelsinnehåll. Det kan dock introducera bindemedel eller starkt ledande fyllmedel, vilket påverkar isoleringsprestandan.
03 Hot-tryckningsmetod
Använder uppvärmning och pressning för att konstruera en orienterad 3D-nätverksstruktur, som effektivt kan förbättra värmeledningsförmåga och mekanisk styrka. Detta uppnås vanligtvis genom mekanisk interferens. Parametrarna för varm-pressningsprocessen är mycket inställbara, vilket möjliggör orienteringskontroll, och den är tillämpbar på ett brett utbud av materialsystem samtidigt som den stärker den inre strukturella stabiliteten.
04 3D-utskriftsmetod
En formfri-direktskrivningsteknik som kännetecknas av hög designfrihet, låg kostnad och snabb bearbetning. Under processen inducerar smältextrudering och skjuvflöde hög orientering av BNNS i polymermatrisen, vilket resulterar i bättre mekanisk hållfasthet och förbättring av värmeledningsförmågan. Denna teknik används i stor utsträckning inom både forskning och industriell tillverkning.
05 Andra byggmetoder
Innovativa 3D-nätverkskonstruktionstekniker (t.ex. elektrospinning, mekanokemiska metoder) kan avsevärt öka värmeledningsförmågan samtidigt som andra egenskaper som mekanisk och elektrisk prestanda förbättras. Effektiviteten hos dessa metoder varierar dock och de möter begränsningar som bristande mångsidighet eller krävande experimentella förhållanden.