氮化硼及其在导热复合材料中的研究进展

目的 从氮化硼的表面改性、取向结构、形态含量以及杂化填料等4个方面介绍氮化硼填充导热复合材料的基础研究进展,为导热聚合物在电子封装领域的应用提供一定的研究思路。方法 通过对近年来国内外的相关文献进行分析和总结,归纳出微/纳氮化硼的产业化制备方法以及产品性能,并介绍微/纳氮化硼填料对聚合物基复合材料导热性能影响的研究情况。结论 氮化硼各方面均具有优异的性能,可用于制备填充型高导热复合材料。     

氮化硼填充导热绝缘复合材料的研究进展

近来,通过添加导热填料制备高导热绝缘聚合物基复合材料成为学者们研究的热点。文中综述了以氮化硼(BN)为填料的导热塑料、导热橡胶的研究现状。发现对无机填料进行表面处理,可以提高基体与填料间的相容性,减小两者间的热传导阻力;采用多模式的填料以适当的比例混杂填充聚合物基体,可以使填料间接触面积增大,从而有效提高聚合物基体的热导率。文中还简述了填充型导热复合材料的导热机理和典型理论模型,并提出了提高复合材料导热性的关键所在。     

环氧树脂/氮化硼/石墨烯纳米片导热复合材料的制备与性能研究

采用十八烷基三甲基溴化铵(OTAB)改性的氮化硼(BN)微粒和石墨烯纳米片(GNP)为导热填料,制备了系列环氧树脂(EP)/改性BN(BNOTAB)/GNP导热绝缘复合材料,研究了填料的种类和含量对复合材料导热性能、电绝缘性能及热稳定性能的影响。结果表明,经OTAB改性后的BN微粒能比较均匀分散于环氧树脂体系中;当m(BNOTAB)/m(GNP)=6∶4时(填料总含量为10%),复合材料的热导率达到0.48 W/(m·K),较纯环氧树脂材料提高了108.7%,而该复合材料仍保持优异的绝缘性能;TGA与DSC结果显示,BNOTAB/GNP填充微粒的加入可以提高环氧树脂复合材料的热稳定性。     

诱导相分离BNNS/PES/EP复合材料制备及其热物性研究

通过液相机械剥离法制备了氮化硼纳米片(BNNS)并通过硅烷偶联剂共价修饰和多巴胺非共价修饰制备了双重改性的氮化硼纳米片(KDBNNS);利用反应诱导相分离,将KDBNNS分布在环氧树脂(EP)和聚醚砜(PES)的界面上构成导热通路,制备了KDBNNS/PES/EP复合材料。采用傅里叶变换红外光谱分析、热失重分析(TGA)和共聚焦扫描显微镜等方法对其进行表征。观测到在三元复合材料内的相分离连续界面上通过分布BNNS构筑了三维导热通路。研究表明当BNNS填料质量分数仅为3%时,复合材料的热导率即可达到0.394 W·m^-1K^-1,相较于纯环氧0.194 W·m^-1K^-1提高了103%。     

高导热环氧纳米复合材料的制备与性能表征

为提高环氧树脂(EP)导热率,文中在树脂基体中复配不同维度的导热填料——"0维"纳米氮化铝(nano-AlN)和"1维"碳纳米管(MCNTs)以期构建三维导热网络。使用N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷偶联剂(KH792)对纳米AlN进行表面改性,并通过酰胺法在H2SO4/HNO3酸化MCNTs表面成功接枝了二乙烯三胺(DETA),提高了无机填料与树脂基体之间的界面相容性,使导热网络的热传递效率大大提高。红外光谱、X射线衍射、拉曼光谱的结果均表明KH792和DETA已分别成功地接枝到纳米AlN和MCNTs表面。扫描电镜显示填料均匀分布在树脂基体中。导热测试证明,添加不同维度填料构建三维导热网络,以及对填料表面进行的有机改性,可以有效提升复合材料的导热率,当混合填料的体积分数(φ)为50%时,复合材料的导热率可提高至2.32 W/(m·K)。     

纳米碳管改善氧化铝填充硅橡胶复合材料的导热与机械性能(英文)

纳米碳管由于其优异的特性可以用于改善复合材料的导热和机械性能。本文通过传统的机械混合工艺,采用氧化铝粉体和少量纳米碳管填充甲基乙烯基硅橡胶,研究了氧化铝粉体的质量分数、表面改性和纳米碳管的添加对复合材料热导率、杨氏模量和硬度的影响。结果表明:氧化铝粉体的质量分数越高,复合材料的热导率越高;当氧化铝粉体的质量分数固定时,对其表面改性和添加纳米碳管能够明显提高复合材料的热导率、杨氏模量和硬度,发现改性氧化铝和纳米碳管并用可以协同增强填料与橡胶间的界面作用,促进橡胶基底中更好的导热通道和网络结构的形成,从而改善复合材料的导热和机械性能。     

氮化硼/聚合物导热复合材料界面热阻调控研究进展

随着5G时代的发展，电子器件领域的热管理问题日发严峻。氮化硼（BN）是一类高热导率（TC）、高绝缘的导热填料，广泛应用于热管理领域，包括六方氮化硼（h-BN）、氮化硼纳米片（BNNS）和氮化硼纳米管（BNNT）。然而，BN表面呈化学惰性，其与基体或其他填料间亲和力低、声子谱失配等，导致了填料与基体/填料间存在明显的界面热阻，限制了复合材料TC的提升，难以满足使用要求。因此，如何调控界面热阻、设计BN/聚合物导热复合材料的热传导界面，并提高复合材料的导热能力是当前亟待解决的难题。研究者分别从理论模拟与实验验证两个角度对热流在界面传导的差异及其原因进行探索。在理论研究中，将分子动力学（MD）模拟及有限元模拟（FEA）等方法结合有效介质模型及其优化模型、Foygel模型等能够对界面热阻（ITR）进行深入的理论模拟与分析；其中，影响界面热阻的关键参数包括BN含量、尺寸及晶体状态、BN的分布形貌等。在实验设计中，为了改善填料与基体间界面热阻，首先对BN表面共价键改性或表面包覆，随后结合聚合物种类设计相应的官能团来改善BN与聚合物的界面作用力；其中BN表面的共价键改性对BN本身晶体结构有一定的破坏...     

BT树脂/氮化硼导热复合材料的制备与性能研究

采用十六烷基三甲基溴化铵改性的氮化硼微粒(BN-CTAB)填充双马来酰亚胺-三嗪树脂(BT树脂)制备了BT/BN-CTAB导热绝缘复合材料。研究了改性氮化硼对BT树脂复合材料导热性能、热稳定性能和电绝缘性能的影响。结果表明,随着改性氮化硼的加入,复合材料热导率随之逐渐上升,体积电阻率略有下降,当加入15%改性氮化硼时,复合材料的热导率达到0.63W/(m·K),比BT树脂的热导率提高了186%,而该复合材料仍能保持优异的绝缘性能。改性氮化硼的加入有助于提高BT树脂复合材料的热稳定性,当氮化硼的含量为15%时,复合材料的热分解温度(失重5%时)较纯BT树脂材料提高了55.1℃。     

氮化硼/碳纳米管/溴化丁基橡胶复合材料的力学和导热性能研究

用机械共混法制备了氮化硼/多壁碳纳米管/溴化丁基橡胶复合材料,测试了复合材料的力学和导热性能,观察了填料在复合材料中的分散和分布情况,并对结果进行了理论分析。结果表明:填充氮化硼和多壁碳纳米管都可以有效提高溴化丁基橡胶的力学性能和导热性能。对于复合材料力学性能的提高,多壁碳纳米管起到了主要作用。对于复合材料导热性能的提高,氮化硼更容易形成导热网链,而且氮化硼和多壁碳纳米管存在协同作用。扫描电子显微镜结果表明,氮化硼和多壁碳纳米管在溴化丁基橡胶中形成了有效的填料网络。     

液相剥离法六方氮化硼纳米片的制备及在复合材料中应用的研究现状EI北大核心CSCD

六方氮化硼纳米片(h-BNNSs)作为类石墨烯的二维片状纳米材料,可在低填充量下显著提高高分子材料的导热率,同时保持其良好的电绝缘性能。由于六方氮化硼层与层之间的作用力远比石墨层的大,通过液相剥离六方氮化硼粉体制备纳米片更具实际意义。文中综述了制备六方氮化硼纳米片的6种液相剥离方法及其剥离机理,并介绍了由其制备的复合材料的性能(导热性能、透光性能、力学性能和磁性等),以期对发展导热聚合物基复合材料有所帮助。     

聚合物基绝缘导热复合材料中碳系填料的研究进展

集成电路产业的高质量发展对其产业链中配套材料的绝缘导热性能提出了更高的要求。具有高导热、低密度、活性表界面等优异特性的碳系材料在聚合物基复合材料中的基础研究,对于高性能绝缘导热材料的性能提升及应用发展至关重要。基于此,本文系统地综述了聚合物基绝缘导热复合材料中碳系填料的研究进展。首先,介绍了聚合物基复合材料的导热机制、绝缘机制及绝缘导热兼容机制。其次,对碳系填料的表面处理和空间结构及分布控制方法进行了综述,研究其绝缘导热性能控制机制。最后,对聚合物基绝缘导热复合材料研究工作中尚未解决的科学问题、技术难点及未来发展方向进行了总结和展望。      

The effect of interfacial state on the thermal conductivity of functionalized Al2O3 filled glass fibers reinforced polymer composites

Rapidly increasing packaging density of electronic devices puts forward higher requirements for thermal conductivity of glass fibers reinforced polymer (GFRP) composites, which are commonly used as substrates in printed circuit board. Interface between fillers and polymer matrix has long been playing an important role in affecting thermal conductivity. In this paper, the effect of interfacial state on the thermal conductivity of functionalized Al₂O₃ filled GFRP composites was evaluated. The results indicated that amino groups-Al₂O₃ was demonstrated to be effective filler to fabricate thermally conductive GFPR composite (1.07 W/m K), compared with epoxy group and graphene oxide functionalized Al₂O₃. It was determined that the strong adhesion at the interface and homogeneous dispersion of filler particles were the key factors. Moreover, the effect of interfacial state on dielectric and thermomechanical properties of GFRP composites was also discussed. This research provides an efficient way to develop high-performance GFRP composites with high thermal conductivity for integrated circuit packaging applications.     

氮化铝/氮化硼/碳纳米管/硅橡胶复合材料的力致填料取向对导热性能的影响

随着科学技术的发展,电子元器件发热量大幅度增加,因此开发兼具高导热和高绝缘性能材料日益迫切。以甲基乙烯基硅橡胶（SR）为基体,碳纳米管（CNTs）、六方氮化硼（BN）以及氮化铝（AlN）为导热填料,通过机械共混法制备导热复合材料。研究3种导热填料复配对复合材料的导热性能、绝缘性能和力学性能的影响,研究填料取向对复合材料导热性能的影响,研究材料表面温升与加热时间的关系。采用Agari模型预测复合材料的理论热导率。通过热红成像、扫描电子显微镜、X射线衍射分析、热重分析等对复合材料进行表征。结果表明：随着复配导热填料中AlN用量的减少,BN和CNT_S用量的增加,复合材料的热导率逐渐升高;当AlN为80 phr,BN为68 phr,CNTs为2 phr时,复合材料的垂直热导率为1.857 W·m^-1·K^-1,平行热导率为2.853 W·m^-1·K^-1,体积电阻率为2.18×10¹² Ω·cm,拉伸强度达4.3 MPa,复合材料的综合性能较好。     

Graphene woven fabric-reinforced polyimide films with enhanced and anisotropic thermal conductivity

Due to the growing needs of thermal management in modern electronics, polyimide-based (PI) composites are increasingly demanded in thermal interface materials (TIMs). Graphene woven fabrics (GWFs) with a mesh structure have been prepared by chemical vapor deposition and used as thermally conductive filler. With the incorporation of 10-layer GWFs laminates (approximate 12 wt%), the in-plane thermal conductivity of GWFs/PI composite films achieves 3.73 W/mK, with a thermal conductivity enhancement of 1418% compared to neat PI. However, the out-of-plane thermal conductivity of the composites is only 0.41 W/mK. The in-plane thermal conductivity exceeds its out-of plane counterpart by over 9 times, indicating a highly anisotropic thermal conduction of GWFs/PI composites. The thermal anisotropy and the enhanced in-plane thermal conductivity can be attributed to the layer-by-layer stacked GWFs network in PI matrix. Thus, the GWFs-reinforced polyimide films are promising for use as an efficient heat spreader for electronic cooling applications.     

填料型高导热复合材料的研究现状与发展趋势

填料型导热复合材料是LED等半导体在封装及使用过程中一种常见的散热材料,它利用高导热填料填充具有密度小、可加工性能好、成本低廉等优点的高分子聚合物制备而成,对降低半导体器件的结温、增强其综合特性大有裨益。简要概述了近年来填料型导热复合材料的研究现状,并对其发展趋势进行了预测,以期为LED的实际散热需要提供技术参考,进而推动LED产业的发展。     

SiC颗粒-SiC晶须混杂填料/双马来酰亚胺树脂导热复合材料的制备与性能

以双马来酰亚胺树脂(BMI)为树脂基体,二烯丙基双酚A(DABA)为增韧剂,γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH-560)表面改性的SiC颗粒-SiC晶须(SiCP-SiCW)为复配导热填料,浇注成型制备SiC_P-SiC_W/BMI导热复合材料,分析研究SiC形状、用量、质量比及表面改性对SiC_P-SiC_W/BMI导热复合材料的导热性能、介电性能、力学性能和热性能的影响。结果表明,当改性SiC_P-SiC_W用量为40wt%且SiC_P∶SiC_W质量比为1∶3时,SiC_P-SiC_W/BMI导热复合材料具有最佳的综合性能,导热系数λ为1.125W(m·K)~(-1),介电常数ε为4.12,5%热失重温度为427℃。     

Graphene and carbon black filled conductive nanocomposite films for heating element applications

Graphene has ultra-high electrical and thermal conductivity, which makes graphene as the most encouraging fillers for thermally conductive composites. Graphene and/or carbon black filled conductive polymer composite (CPC) films used as heating element are smarter than the traditional heating elements due to less environmental pollution, ease of application on many surfaces and possess the merits of lightweight. In this study, we investigated mainly the production, characterization and industrial application of graphene/carbon black reinforced styrene acrylic copolymer emulsion matrix composite films deposited on polyvinyl chloride for flexible heating element. After that, the films were dried at room temperature for 24 h in air. Structural and surface properties of the CPC films were characterized by X-ray diffraction and scanning electron microscopy. Temperature, time and voltage relation of the produced composite films were investigated. Heating and electrical properties of the CPC films were determined by using a thermal camera and 4-point probe measurement system, respectively. The electrical resistivity of the CPC films decreases from ~?10⁸ to 10¹ Ω cm with increasing the filler content or using a combination of two fillers. Graphene and carbon black filled conductive polymer composites to be considered as candidates for flexible heating element applications exhibited good electrical and heating properties thanks to synergistic effect of fillers.     

原位聚合法制备SiC@SiO2/BN/PI复合材料及其表征

聚酰亚胺复合材料以其优异的性能以及在航空航天、轨道交通、微电子等领域广泛的应用前景引起越来越多的关注。在750 ℃条件下对SiC晶须进行表面氧化处理, 形成SiC@SiO₂包覆结构晶须, 与BN颗粒构成复合填料, 分别采用硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂进行表面改性, 用原位聚合法制备了SiC@SiO₂/BN/PI(PI:聚酰亚胺)复合材料。采用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)等进行结构和性能表征。结果表明: 晶须与颗粒质量比为4 : 1时, 复合填料在PI基体内形成了有效的导热网络, 且当填料含量为45wt%时, SiC@SiO₂/BN/PI复合材料导热系数达到0.95 W/(m·K)。SiC@SiO₂/BN/PI复合材料的力学性能随着复合填料的种类和数量的变化呈现规律性变化。SiO₂氧化层阻断复合填料间自由电子的移动, SiC@SiO₂/BN/PI复合材料的电气绝缘性能下降幅度减小。     

Enhanced thermal conductivity and retained electrical insulation for polyimide composites with SiC nanowires grown on graphene hybrid fillers

Polyimide (PI) composites containing one-dimensional SiC nanowires grown on two-dimensional graphene sheets (1D–2D SiC_NWs-GSs) hybrid fillers were successfully prepared. The PI/SiC_NWs-GSs composites synchronously exhibited high thermal conductivity and retained electrical insulation. Moreover, the heat conducting properties of PI/SiC_NWs-GSs films present well reproducibility within the temperature range from 25 to 175 °C. The maximum value of thermal conductivity of PI composite is 0.577 W/mK with 7 wt% fillers loading, increased by 138% in comparison with that of the neat PI. The 1D SiC nanowires grown on the GSs surface prevent the GSs contacting with each other in the PI matrix to retain electrical insulation of PI composites. In addition, the storage modulus and Young’s modulus of PI composites are remarkably improved in comparison with that of the neat PI.     

氮化硅/聚苯乙烯复合电子基板材料制备及性能

以Si3N4粉末作为增强组元与颗粒状聚苯乙烯进行复合,用热模压法制备了氮化硅/聚苯乙烯复合电子基板材料。研究了Si3N4含量和聚苯乙烯颗粒大小对复合材料导热性能和介电性能的影响,通过理论分析确定了影响导热性能的主要因素。研究结果表明,随Si3N4含量的增加,复合材料中粉末形成导热网络,复合材料的热导率也随之增加,聚苯乙烯颗粒尺寸越大,复合材料热导率越大。热导率的增加与导热网络的形成有关,增加Si3N4含量和聚苯乙烯颗粒尺寸都有助于导热网络的形成。复合材料的介电常数取决于复合材料体系组元的体积含量。