六方氮化硼（h-BN）在3D打印型導(dǎo)熱復(fù)合材料中的應(yīng)用

3D打印法能有效控制導(dǎo)熱填料的取向結(jié)構(gòu)，甚至可以制備出三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是構(gòu)建導(dǎo)熱復(fù)合材料三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方式之一，由該方法制備的導(dǎo)熱復(fù)合材料可以在低導(dǎo)熱填料填充下獲得較大的導(dǎo)熱系數(shù)。

目前3D打印技術(shù)導(dǎo)熱復(fù)合材料所用打印材料包括聚合物材料、金屬材料、陶瓷材料等。以光固化樹脂、聚乳酸（PLA）、丙烯腈?丁二烯?苯乙烯（ABS）、聚苯硫醚（PPS）、聚氨酯（PU）、聚酰胺（PA）、聚醚醚酮（PEEK）等各種聚合物為基體的導(dǎo)熱復(fù)合材料可以運(yùn)用在散熱器、熱交換器或模具加工的材料（通常在系統(tǒng)之間需要熱交換的任何地方）。本文將介紹通過3D打印技術(shù)將六方氮化硼（以下簡稱氮化硼，BN）制備成導(dǎo)熱復(fù)合材料的案例。

在導(dǎo)熱填料中，氮化硼因其化學(xué)穩(wěn)定性、絕緣性、高導(dǎo)熱性和高彈性模量等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種非常有前景的絕緣導(dǎo)熱填料。同時(shí)，它表現(xiàn)出了顯著的各向異性導(dǎo)熱性能，其中面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)［300~600W/（m·K）］遠(yuǎn)高于面外［30W/（m·K）］，因此，在制備氮化硼高分子導(dǎo)熱復(fù)合材料時(shí)，需要對(duì)氮化硼填料進(jìn)行校準(zhǔn)，最大限度地減小傳熱方向上的熱阻，從而獲得更高的導(dǎo)熱系數(shù)。3D打印技術(shù)可以有效實(shí)現(xiàn)氮化硼填料的有序?qū)R，顯著提高導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，甚至提高材料的其他性能。圖1 是3D打印熱塑性聚氨酯（TPU）/氮化硼（BN）復(fù)合材料的制備示意圖。Gao等通過3D打印技術(shù)制備了熱塑性聚氨酯/氮化硼納米片復(fù)合材料。結(jié)果表明，熱塑性聚氨酯/氮化硼納米片復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能主要取決于噴嘴直徑/層厚的比值，而對(duì)打印速度的依賴性較小。他們認(rèn)為增大噴嘴直徑會(huì)減小噴嘴內(nèi)的絕對(duì)力從而減小氮化硼的取向度，而增大打印速度對(duì)氮化硼的取向度影響不大。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于某一噴嘴，提高打印速度和減小層厚都可以提高氮化硼納米片的取向度，但打印速度過高容易導(dǎo)致打印缺陷，層厚過低則會(huì)導(dǎo)致相鄰填料間脫黏，致密性較差。

表1是通過3D打印技術(shù)制備的不同種類的氮化硼導(dǎo)熱復(fù)合材料。材料的性能取決于材料的結(jié)構(gòu)，使用3D打印技術(shù)制備氮化硼導(dǎo)熱復(fù)合材料時(shí)，影響其導(dǎo)熱性能的因素包括氮化硼填料的粒徑、填充量以及3D打印設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)。Li等采用3D打印技術(shù)制備了等規(guī)聚丙烯/六方氮化硼導(dǎo)熱復(fù)合材料，他們發(fā)現(xiàn)粒徑越大的氮化硼在基體中的取向度越高，熱導(dǎo)率越大。Chen等采用3D打印技術(shù)制備了聚酰胺/六方氮化硼導(dǎo)熱復(fù)合材料，Lee等采用磁場(chǎng)輔助3D打印制備了UV樹脂/六方氮化硼導(dǎo)熱復(fù)合材料，試驗(yàn)結(jié)果都表明隨著基體中氮化硼填料填充量的增加，導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能也在逐步提高。Liu等先將不同含量的BN、Al₂O₃與液態(tài)PDMS混合攪拌2h，然后逐漸加入固化劑和催化劑，攪拌脫氣進(jìn)行3D打印成型。定向良好的BN板構(gòu)建了有效的導(dǎo)熱通道，并與Al₂O₃顆粒結(jié)合形成相互連通良好的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，Al₂O₃顆粒的存在使BN板的黏度增加，使其定向度進(jìn)一步增大。填料取向和雜化填料的共同作用對(duì)提高材料的導(dǎo)熱性能產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng)，有效地降低了熱界面電阻。因此，在使用3D打印技術(shù)制備氮化硼導(dǎo)熱復(fù)合材料時(shí)，在關(guān)注氮化硼填料粒徑與填充量的同時(shí)，也需要平衡層厚和打印速度這兩個(gè)參數(shù)間的關(guān)系。

表1 3D打印技術(shù)制備的不同種類的氮化硼導(dǎo)熱復(fù)合材料