氮化硼纳米片的制备及其导热性能研究

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电子行业的快速发展导致电子产品功率密度增加,而高的功率密度导致热量增加,从而对电子产品的寿命和性能造成影响,因此对电子产品的热管理提出更高的要求。具有类石墨烯二维(2D)结构的氮化硼纳米片(BNNS)因其高导热性、低热膨胀性、良好的化学稳定性和优异的电绝缘性能而备受关注,是制备导热复合材料的理想候选导热填料。然而,如何高效制备大横向尺寸和低厚度的BNNS仍然是一个挑战。本文主要通过三种不同的方法制备高质量的BNNS,并将其与聚合物复合制备导热复合材料,对其导热性、散热性能进行研究。具体工作如下:1.配位聚合物(CP)能够在球磨的过程中发生相转变为液态,形成离子液体的类似物,具有多级离子碎片,在机械球磨的过程中可以作为助剂插层到六方氮化硼(h-BN)层间,辅助其剥离。用该助剂辅助制备得到的BNNS横向尺寸约为200 nm,厚度为2nm,产率高达34%。将制备的BNNS与PVA进行溶液共混,利用刮涂的方式,制备得到PVA/BNNS复合材料。该复合材料拥有优异的导热性能,当BNNS添加量为30wt%时具有高达11.5 W m-1 K-1的面内热导率,并且该复合材料的热稳定性有显著提升。将复合材料作为热界面材料,测试其散热性能,PVA/BNNS-30比纯的PVA表面温度低4.2 oC,在热管理材料方面有潜在的应用价值。2.利用高效无毒驱蚊剂N,N-二甲基间甲基苯甲酰胺(DEET)作为绿色溶剂液相超声制备BNNS,剥离效率高达40%,且所得BNNS横向尺寸为1-3μm,厚度为4 nm,在制备大尺寸BNNS具有潜在的应用价值。该溶剂具有普适性,也成功制备得到高质量的石墨烯、Mo S2纳米片和金属-有机骨架(MAMS-1)纳米片。机理研究表明,溶剂的极性及氢键相互作用是影响剥离效率及稳定性的关键因素。采用溶液共混-热压的方法,将所得BNNS与聚偏氟乙烯(PVDF)复合,制备得到PVDF/BNNS复合热界面材料。结果表明,BNNS在聚合物基体内高度取向,在BNNS添加量为30 wt%时,复合材料面内热导率高达11.61 W m-1 K-1。将复合材料作为热界面材料置于LED灯下进行散热测试,通电2 min后PVDF/BNNS-30的最高温度为78.3 oC,比纯的PVDF低8.7 oC,有优异的散热性能。3.利用碳酸氢铵(NH4HCO3)加热分解成CO2和NH3气体,得到预先膨胀的h-BN,再以异丙醇超声得到产率为25.9%,横向尺寸为1-3μm,厚度为2.5 nm的高质量BNNS。再采用真空抽滤的方法,将BNNS与纤维素纳米纤维(CNF)复合得到CNF/BNNS复合热界面材料。BNNS在聚合物基体中存在明显的取向结构,添加50 wt%的BNNS时,面内显示出高达18.86 W m-1 K-1的热导率,将复合材料置于LED灯下,通电2 min后,CNF/BNNS-50的最高温度为67 oC,比纯的CNF低13 oC,显示出优异的散热性能。
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