氮化硼最新应用：可制备面内导热率达到39W/m·K的5G导热材料

5G+物联网时代临近，各种电子设备的发展趋向于集成化、高速度、多功能兼容和高可靠性以及稳定性发展，这意味着在更小的空间产生更多的热量，必然会带来有限空间内散热的挑战，因此电子设备的高效热管理成了关键技术。常见高导热金属材料因其导电性而无法用于显卡、CPU等部件散热，需要采用具有高导热、高绝缘的导热界面材料。导热界面材料保证了平面、垂直方向上的有效热传递，同时，降低了热源和散热器因粗糙和不均匀表面之间的热阻，提高热传递，为电子元器件实现高效散热起着举足轻重作用。目前商用绝缘热界面材料，如导热硅脂、导热凝胶等热导率一般为2~12W/m·K，无法满足高功率密度器件的有效散热需求。因此，提升导热界面材料的导热性能仍然是一个挑战。

六方氮化硼的结构特点使其具有很多优异的特性，如高导热性、高耐热性、润滑性、摩擦系数低、热膨胀系数低、介电性质优异等物理性质以及抗氧化性强、抗腐蚀性强、化学性质稳定等化学性质，是制备填充型高导热、绝缘复合材料的首选。目前基于单号填充聚合物基复合材料作为热界面材料的研究已经很广泛。然而，由于 BN固有的各向异性热性能（平面内热导率 400−2000 W/m·K，垂直平面热导率为 30 W/m·K），且 BN与聚合物相容性差，难分散，难以有效构建高效的导热网络，因此在BN/聚合物复合材料中很难实现各向同性的超高导热率。为此，浙江大学柏浩教授、高微微副教授合作，提出了一种改进的双向冻结技术来制备具有双轴定向导热网络的BN氮化硼/聚氨酯（BN/PU）复合材料，该复合材料在80 vol% BN填充下表现出∼39.0 W/m·K的超高平面内热导率和∼11.5 W/m·K的垂直平面热导率。由于冰晶束缚作用，BN/PU悬浮液被组装成网络，形成一种具有桥连的层状结构，经过热压可得到致密的BN/PU复合材料。该方法克服了各向异性 BN基复合材料在某一方向导热系数的增强往往会牺牲另外一个方向的导热系数的问题。基于此复合材料制备的热界面材料比商业产品具有更优越的冷却效率，芯片实际温度降低了15°C，在1000次加热和冷却循环后仍保持良好的热稳定性。研究提供了一种开发先进热界面材料的有效途径，能够满足先进电子、可穿戴电子等新兴领域的产品对高性能热界面材料的巨大需求。研究成果以“Isotropically Ultrahigh Thermal Conductive Polymer Composites by Assembling Anisotropic Boron Nitride Nanosheets into a Biaxially Oriented Network”为题发表于《ACS Nano》期刊。