六方氮化硼作为优质的绝缘导热填料，该如何选择应用？

六方氮化硼作为优质的绝缘导热填料，该如何选择应用？

随着电子设备的不断小型化和集成化，散热问题日益凸显。六方氮化硼（h-BN）作为一种具有优异导热性能和绝缘性能的材料，近年来在电子器件、航空航天、新能源汽车等领域得到了广泛应用。本文将详细介绍h-BN的导热机理、填料选择标准及其在聚合物基体中的应用方式。

在如今小型化、集成化电子设备和元器件的输出功率越来越大，散热需求越来越大的情况下，六方氮化硼（h-BN）由于其中的硼（B）和氮（N）之间通过强的平面内极性键连接形成了类似石墨的典型层状蜂窝晶格结构，使其表现出优越的带隙宽度（3.6 eV到7.1 eV）、机械强度、热稳定性和面内热导率（热导率理论值为1700–2000 W/ (m· K)），同时它还与其他陶瓷粉体一样，具有优异的绝缘性能，因此可作为提高聚合物导热性能的导热绝缘填料，在电子器件、航空航天、新能源汽车、化学设备等高散热需求行业上有着广阔的应用前景。

h-BN 导热机理

固体导热材料的传递方式主要为热传导，而热传导依靠电子、声子（晶格振动的“量子”）及光子（电磁辐射）等导热载体实现。h-BN作为一种绝缘的无机非金属材料，含有的自由电子较少，而光子只有在透射性较好的材料中才能起热传导作用，因此其热传导主要依靠晶格振动使声子发生碰撞，并从高浓度区到低浓度区的扩散。由于h-BN为典型层状蜂窝晶格结构，晶体微粒具有远程有序性，且层内的共价键强度高，使得声子在层内的传播速度较快，同时声子的散射小，然而，由于层间以范德华力连接，作用力较弱，声子在层间的传播受到限制，因此h-BN的导热性能具有各向异性，内部导热路径主要依靠面内导热。

六方氮化硼晶体结构

h-BN填料的选择

形貌

H-BN的形貌多样，包括颗粒状、片状、管状、纤维状等，由于形貌结构的差异，它们对其在基体中的分布状况、所得复合材料的热学性能、力学性能等都具有一定的影响。目前，为了更好的利用h-BN优异的面内导热性能，主要采用六方氮化硼纳米片（BNNS）以及六方氮化硼纳米管（BNNT）作为导热填料。

• 六方氮化硼纳米片（BNNS）

BNNS最大的优势在于它在沿面内方向具有高导热率。为了充分利用六方氮化硼片状填料优异面内热导率，关键是要求其具有高纵横比。理论上来看，六方氮化硼的平面横向尺寸越大，使得其在聚合物基体中彼此连接的概率更大，更有助于构建一个连续的导热网络，有助于减少声子在传导过程中的散射，使导热性能越高。相反，六方氮化硼的层间主要是以范德华力结合，存在一定的热阻，因此对于六方氮化硼填料来说，纵向尺寸的大小决定了六方氮化硼片状填料的导热系数，即纵向尺寸越小，层数越少，则导热系数越高。

• 六方氮化硼纳米管（BNNT）

BNNT是一种结构类似于碳纳米管的一维纳米结构材料，可以看做是碳纳米管中的碳原子被硼和氮原子交替取代的产物，由单层或多层六方氮化硼（h-BN）卷曲而成，最终形成一维结构的单壁或多壁氮化硼纳米管。因此，BNNT在长度方向上有着高热导率，长径比越高的BNNT能够提供更优异的导热性能。

相比BNNS，拥有高长径比的BNNT与聚合物基体共混后，整个复合材料体系可以相互牵缠在一起，不仅使得复合材料在受冲击时不容易断裂，而且能够构建出一个更加复杂的三维网络结构，有助于减少填料的填充量，不过这也导致了其在基料中的流动性较差，不易分散。

结晶度

在六方氮化硼中，晶格缺陷和非晶态区域会造成声子的散射现象，导致热阻增加，导热性能降低。而有序的晶格结构可以使得热量能够在晶格中以较高的速率传递，使其拥有更高的导热性能。因此，为了充分发挥六方氮化硼作为导热填料的优越性，需要选择结晶度更高、晶格缺陷更少的h-BN填料，从而最大程度地减小声子散射。

分散性

分散性也是h-BN导热填料的选择的重要指标。h-BN纳米填料具有较大的比表面积，填料间易发生团聚，尤其是当被引入聚合物基体中时，由于极性差异，两者之间的相容性差，不仅容易造成复合体系内部界面热阻较大，还不易形成有效的导热通路，不利于导热性能的提升。

h-BN如何应用

由于聚合物基体无自由电子和大量完整晶体，形成的晶体结构无序且较少，热阻往往很大，因此，导热复合材料的导热性能主要依靠h-BN导热填料构筑有效的导热网络实现。而为了有效构建导热网络，h-BN导热填料可通过以下方式应用：

表面功能化改性

由于分散性是h-BN导热填料的一个重要指标，但层内共价相连的方式使得h-BN 表面的活性基团较少，高化学惰性较高，一般情况下都难以在聚合物基体中有效分散，因此往往需要进行表面功能化改性来提升其分散性。通常，h-BN的功能化改性有两种方式：物理非共价键改性和化学键合改性。

• 物理非共价键改性

非共价改性是利用改性剂表面的基团与h-BN表面发生物理吸附作用，如π-π相互作用、静电作用等，从而将改性剂附着在h-BN表面，提供空间位阻、静电排斥作用和改善疏水作用，从而达到改善聚合物基体与h-BN界面相容性的目的，具有工艺简单、可操作性强，并且由于改性过程中不涉及化学反应，非共价方法不会在功能化过程中大幅度改变纳米材料结构的空间形状属性，最大程度上保留六方氮化硼的固有性质。

• 化学键合改性

该方法是采用等离子体处理、水热反应等技术将羟基、氨基、环氧基等官能团以化学键合的方式接枝在BN表面，以提高在聚合物基体中的分散性能。相比物理法，化学键合方式的改性效果更好，能够使h-BN与聚合物基体结合得更加紧密。