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      蘇州納樸材料科技有限公司

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      A工廠地址:

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      Plant A Address:

      Qiaonan Industrial Park, Yongfeng 331500, Jiangxi, China

      B工廠地址:

      江西省吉安市井岡山經濟技術開發區

      Plant B Address:

      Jinggangshan Economic Development Zone, Ji' an 343000, Jiangxi, China

      球形的氮化硼凝聚粒子讓聚合物絕緣導熱能力一級棒~

      信息來源:本站 | 發布日期: 2023-10-06 10:35:40 | 瀏覽量:161132

      摘要:

      隨著現代電子產品向小型化、多功能化和高性能化的快速發展,過熱會降低電子電氣設備的性能、壽命和可靠性,如何高效散熱成為了急切的課題。聚合物由于其電絕緣性高、重量輕和易于加工等優點,已被廣泛用作電氣設備的電子封裝材料,不僅減少部件的尺寸和重量,還能簡化組裝…

      隨著現代電子產品向小型化、多功能化和高性能化的快速發展,過熱會降低電子電氣設備的性能、壽命和可靠性,如何高效散熱成為了急切的課題。聚合物由于其電絕緣性高、重量輕和易于加工等優點,已被廣泛用作電氣設備的電子封裝材料,不僅減少部件的尺寸和重量,還能簡化組裝。然而,聚合物本身大多為熱的不良導體(熱導率在0.1~0.5W/mK之間)[例如高頻覆銅板用樹脂聚四氟乙烯的熱導率約為0.20~0.24W/(m.K)],引入高導熱填料制備聚合物基復合材料是目前廣泛認同的提高材料整體導熱性能的可行方法,常見的導熱填料有金屬、金屬氧化物和氮化物以及碳系導熱填料等。

      圖片

      高導熱材料的發展趨勢



      金屬顆粒、碳系材料雖然具有很高的本征熱導率而被廣泛應用,但這類填料在改變導熱性能的同時也改變了聚合物的電氣絕緣性能,如導致聚合物極高的電導率、較高的介電常數,因此這類材料并不適合對絕緣性能要求高的場合。因此,絕緣領域更多關注的是具有極高本征熱導率且絕緣性能良好的無機顆粒。目前,包括氧化鋁、氧化鎂、氮化鋁、氮化硼等無機顆粒已被廣泛應用于高導熱聚合物基復合材料。

      圖片氮化硼導熱膏(3D打印行業用)


      圖片
      h-BN特性:

      通常,六方氮化硼(h-BN)的結晶結構為和石墨同樣的層狀結構,其粒子形狀為鱗片狀(相關閱讀:白石墨六方氮化硼與石墨結構相似,為啥h-BN不導電?),具有優異的導熱性能(面內熱導率實驗值220–420W/mK,理論值可達550W/mK),擁有優異的電氣特性(低介電常數--在寬頻范圍內約為4.0,低介電損耗角正切3 × 10–4,絕緣性好-帶隙寬度為5.2-5.8eV),被認為是目前為止最理想的絕緣導熱填料。

      圖片

      圖片

      高縱橫比、鱗片狀六方氮化硼

      球形的氮化硼凝集粒子

      來源:SPAETER Group

      圖片
      球形的氮化硼凝集粒子的好處:高填充及各向同性

      不過,想要得到高熱導率的聚合物基導熱材料,只看填料的本征導熱率是不行的,我們還需要關注它的工藝過程。在聚合物基復合材料的制備過程中,添加極少量的片狀氮化硼就會導致體系的粘度急劇增加,想要添加高于20%的體積含量是非常困難的,而球形的氮化硼凝集粒子可以降低填料添加時對聚合物復合材料體系粘度的影響。

      此外,鱗片狀的六方氮化硼具有各向異性的熱傳導特性,在面內方向具有高導熱率(220–420W/mK),但在厚度方向導熱率(2-40W/m K),另外,如果將鱗片狀粒子填充到樹脂中形成片材,h-BN粒子在填充樹脂中容易在片材內沿面方向取向,無法高效的提高樹脂片材的厚度方向的導熱性。

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      熱傳導方向示意圖(參考來源:Saint-Gobain)



      為了改善鱗片狀的BN粒子的導熱的各向異性,通過噴霧干燥等造粒的h-BN粒子(可制備球形的氮化硼凝聚粒子)、燒結h-BN并粉碎燒結體而制造的h-BN粒子等方式,來讓鱗片狀的BN顆粒保持隨機取向,從而使材料具有各向同性的熱導率。

      當然,盡管球形氮化硼在提升聚合導熱率表現很好,但實際應用是“多種填料混搭”更為顯著的提升聚合物的導熱散熱能力,例如氧化鋁搭配球形氮化硼,片狀氮化硼搭配球形氮化硼,大顆粒的球形氮化硼搭配小顆粒的球形氮化硼~

      圖片

      片狀和球形氮化硼顆粒的組合可以顯著提高聚合物導熱性






      除了優秀的絕緣導熱能力外,六方氮化硼的其他特質也是非常值得我們關注的,如下一起來看看。


      0

      1

      低介電常數


      氮化硼在寬頻率和溫度范圍內保持恒定的損耗因數,有助于實現高頻數據傳輸,將氮化硼作為填料添加到高頻樹脂材料中,可以制備出滿足高頻數據傳輸需求的高導熱聚合物。

      圖片

      幾種導熱填料的典型電氣特性(參考來源3M)



      0

      2

      低密度


      氮化硼的密度較低,對于等效導熱水平,與礦物或氧化物基填料相比,氮化硼的重量百分比要低得多。例如,一個Al2O3-PA66化合物(2.3 kg/L),BN-PA66化合物(1.4 kg/L),前者比后者重1.6倍。較低密度的氮化硼填料可以有效減少部件重量。

      圖片



      0

      3

      低硬度、潤滑


      hBN莫氏硬度低,具有類似石墨的片狀形狀,素有白色石墨之稱,光滑無摩擦,可大大降低對注塑成型、擠壓設備的磨損,有效提升設備的使用壽命。

      不過在使用團聚態氮化硼的時候,不同的加工條件會對團聚態氮化硼形貌產生很大的影響,進而影響到最終的界面材料的熱導率。如果在樹脂混煉過程中有過高的剪切力存在的話,可能打碎一部分團聚態的球形結構;即便是同一配方,混合速度和混合時間不同,也會帶來不同的導熱性能差異。如果缺乏加工條件對氮化硼形態影響的理解,用戶很難獲得具備最佳熱性能和流變性能的復合材料。

      一般的工藝條件所制備的凝聚態球形BN結合力非常弱,球形結構在聚合物復合材料的混合過程中容易被破壞,因此如何制備穩定“耐蹂躪”的的球形BN也是一個非常值得探討的話題。

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