En camps d'alta-tecnologia, com ara dispositius electrònics, vehicles d'energia nova i il·luminació LED, els materials eficients de dissipació de calor són fonamentals. Els polímers tradicionals generalment presenten una conductivitat tèrmica deficient i no compleixen els requisits de dissipació de calor dels dispositius d'alta-potència. Per solucionar-ho, els investigadors incorporen farcits d'alta-conductivitat-tèrmica als polímers. El nitrur de bor (BN) ha cridat molta atenció a causa de la seva excel·lent conductivitat tèrmica, aïllament elèctric i estabilitat química. Tanmateix, l'ús de farcits BN sols sovint dificulta la formació de vies de conducció tèrmica contínues i eficients. Per tant, mitjançant un disseny i una regulació deliberats, a partir de dos aspectes: "sinergia de farciment multi-multidimensional" i "construcció de xarxes-tridimensionals", es pot construir una xarxa de conducció tèrmica eficaç amb càrregues de farciment relativament baixes, produint així compostos d'alta-conductivitat-tèrmica.
I. Composició de nitrur de bor i farciment multi-dimensional
Per a un sol farciment BN, la mateixa estructura i mida tendeixen a crear buits en el polímer, i la mala conductivitat tèrmica de l'aire limita la millora del rendiment tèrmic del material. L'ús de farcits híbrids ofereix els següents avantatges principals:
① L'efecte sinèrgic entre farcits de diferents formes aconsegueix una major conductivitat tèrmica a farciments més baixos mantenint bones propietats mecàniques i de processament del polímer;
② Els farcits també poden impartir altres funcions al material, com ara retard de flama i hidrofobicitat.
01 BN amb farcits de -dimensionalitat zero: combinació "punt-pla".
Els farcits de -dimensions zero són granulars. Els farcits de -dimensions BN i zero-dimensionals conductores tèrmiques es combinen d'una manera "punt-pla", omplint els buits entre les làmines, augmentant la densitat d'empaquetament i facilitant la formació de xarxes de conducció tèrmica. Els farcits comuns de -dimensionalitat tèrmicament conductor hibridats amb h-BN inclouen partícules de carbur de silici (SiC), nanopartícules de plata (AgNPs), partícules d'alúmina (Al₂O₃) i partícules de sílice (SiO₂).
02 BN amb farcits uni-dimensionals: combinació "línia-pla".
Els farcits{0}}unidimensionals tenen estructures tubulars o lineals. BN i els farcits termoconductors-unidimensionals es combinen de manera "línia-pla", actuant com a "ponts" que connecten la matriu de polímer i h-BN, fent que la xarxa de conducció tèrmica interna sigui més densa, reduint la resistència tèrmica interfacial i millorant l'eficiència de la transferència de calor. Els farcits conductors tèrmicament unidimensionals comuns hibridats amb h-BN inclouen nanotubs de carboni (CNT), nanofils de carbur de silici (SiCNW), nanofils de plata (AgNW), nanofibres d'aramida (ANF) i fibres de carboni (CF).
03 BN amb farcits bi-dimensionals: combinació "pla-plà".
Els materials bi-dimensionals tenen estructures semblants a escates-. La investigació sobre BN combinada amb farcits bi-dimensionals se centra principalment en l'òxid de grafè (GO). Els dos mostren un enllaç interfacial estret, una bona concordança de l'espectre de fonons i una baixa resistència tèrmica interfacial, millorant de manera sinèrgica la-conductivitat tèrmica plana. L'empaquetament dens dels farcits millora la transferència de calor tant en el pla com en el pla-, eliminant gradualment l'anisotropia de la conducció tèrmica.
04 Farciments conductors tèrmics multi-components
La hibridació de h-BN amb diversos tipus de farciments conductors tèrmicament s'ha convertit en un punt d'investigació. L'augment de la varietat de farcits tèrmicament conductors crea vies de conducció tèrmica més complexes, afavoreix la transferència de calor ràpida i pot impartir múltiples funcions al material, com ara retard de flama i hidrofobicitat. Tanmateix, a mesura que augmenten els tipus de farciments tèrmicament conductors, les incerteses en l'arquitectura del farciment també s'amplien.
II. Construcció de xarxes de conducció tèrmica-tridimensionals
Tot i que els farcits compostos de diferents mides i morfologies de partícules poden promoure eficaçment la formació de vies de conducció tèrmica dins del material, la introducció de farcits condueix a una major resistència tèrmica interfacial. La construcció d'una xarxa de conducció tèrmica 3D no només redueix l'àrea de contacte entre farcits i matriu i redueix la resistència tèrmica interfacial, sinó que també estableix una xarxa de conducció tèrmica contínua i estable, millorant de manera eficient la conductivitat tèrmica del compost a baixes càrregues de farciment. Actualment, hi ha quatre mètodes principals per construir xarxes de conducció tèrmica 3D:
01 Mètode de plantilla: estructuralment controlable, fàcil d'operar
El mètode de la plantilla s'utilitza àmpliament per construir estructures tridimensionals en materials compostos. Els seus avantatges inclouen un control precís sobre l'estructura de la xarxa, aplicabilitat a diversos farcits i matrius i un funcionament senzill. Tanmateix, no pot augmentar molt el contingut de farciment.
Mètode de plantilla de gel: utilitza la congelació direccional de solucions aquoses, on els cristalls de gel creixen en orientacions específiques, per construir una xarxa de conducció tèrmica en 3D. S'aplica àmpliament per la seva senzillesa i facilitat d'operació.
Mètode de plantilla d'escuma: utilitza l'escuma com a plantilla senzilla, amb farcits d'alta conductivitat-tèrmica- com a component principal. Les tècniques d'impregnació infiltren el polímer líquid en una estructura de xarxa tridimensional-negativa preformada. La compressió mecànica densifica i alinea la xarxa de conducció tèrmica, produint compostos termoconductors d'alt rendiment-per a aplicacions multifuncionals.
Mètode de plantilla sacrificial: elimina una plantilla inicial per crear una xarxa de conducció tèrmica interconnectada en tres-dimensions. Nombrosos estudis han utilitzat sucre soluble en sal i aigua-com a plantilles de sacrifici per preparar estructures de xarxa en 3D en compostos tèrmicament conductors.
02 Mètode d'auto-assemblatge
Una tècnica on unitats estructurals bàsiques (molècules, nanomaterials, substàncies a escala- o més gran-) formen espontàniament estructures ordenades mitjançant interaccions no-covalents. En comparació amb el mètode de plantilla, és més senzill, de menor cost i permet un límit superior superior de contingut de farciment. Tanmateix, pot introduir aglutinants o farcits altament conductors, afectant el rendiment de l'aïllament.
03 Mètode de premsat-calent
Utilitza calefacció i premsat per construir una estructura de xarxa 3D orientada, que pot millorar eficaçment la conductivitat tèrmica i la resistència mecànica. Això s'aconsegueix generalment mitjançant interferències mecàniques. Els paràmetres del procés de premsat-en calent són molt ajustables, permetent el control de l'orientació i s'aplica a una àmplia gamma de sistemes de materials alhora que reforça l'estabilitat estructural interna.
04 3Mètode d'impressió D
Una tecnologia d'escriptura directa sense motlle-que es caracteritza per una gran llibertat de disseny, un baix cost i un processament ràpid. Durant el procés, l'extrusió de la fosa i el flux de cisalla indueixen una alta orientació dels BNNS a la matriu del polímer, donant lloc a una millor resistència mecànica i una millora de la conductivitat tèrmica. Aquesta tecnologia s'utilitza àmpliament tant en la investigació com en la fabricació industrial.
05 Altres mètodes de construcció
Les tècniques innovadores de construcció de xarxes 3D (per exemple, electrospinning, mètodes mecanoquímics) poden augmentar significativament la conductivitat tèrmica alhora que milloren altres propietats com ara el rendiment mecànic i elèctric. Tanmateix, l'eficàcia d'aquests mètodes varia i s'enfronten a limitacions com la manca de versatilitat o condicions experimentals exigents.