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,表面包覆则能够较好地保持BN结构。为了改善填料与填料间界面热阻,研究者常采用BN的定向排列、桥接、构建3D导热网络结构等策略来改善填料间的接触,其中BN的定向排列法充分利用BN的各向异性、增大填料间的有效接触面积,能够显著提升复合材料某一方向的TC;桥接法是将彼此分离的BN相互连接,通过在基体中形成异质结构来构建更为完善的导热路径;构建3D导热网络结构的方法近年来已被广泛研究,其能够创建长程连续的导热路径,具体方法包括冰模板法、盐模板、发泡策略、构建凝胶网络和两相/三相隔离结构等。综合目前研究进展,本文首先归纳了计算BN/聚合物界面热阻的模型及相关模拟的进展,并从填料与基体及填料与填料间的界面热阻两个角度,分别总结了改善聚合物/BN导热复合材料界面热阻的策略,对比了各种方法对复合材料导热性能的改善效果,并展望了低界面热阻与高导热复合材料的发展趋势。