În domeniile-de înaltă tehnologie, cum ar fi dispozitivele electronice, vehiculele cu energie nouă și iluminatul cu LED-uri, materialele eficiente de disipare a căldurii sunt esențiale. Polimerii tradiționali prezintă, în general, o conductivitate termică slabă, nereușind să îndeplinească cerințele de disipare a căldurii ale dispozitivelor-de mare putere. Pentru a rezolva acest lucru, cercetătorii încorporează materiale de umplutură cu conductivitate-termică-înaltă în polimeri. Nitrura de bor (BN) a atras multă atenție datorită conductivității termice excelente, izolației electrice și stabilității chimice. Cu toate acestea, utilizarea numai a materialelor de umplutură BN face adesea dificilă formarea căilor de conducție termică continue și eficiente. Prin urmare, prin proiectare și reglementare deliberată, pornind de la două aspecte – „sinergia de umplutură multi-dimensională” și „construcția de rețea-tridimensională” – o rețea de conducție termică eficientă poate fi construită la încărcări relativ scăzute de umplutură, producând astfel compozite cu-conductivitate termică-înaltă.
I. Nitrură de bor și amestec de umplutură multi-dimensională
Pentru un singur material de umplutură BN, aceeași structură și dimensiune tind să creeze goluri în polimer, iar conductivitatea termică slabă a aerului limitează îmbunătățirea performanței termice a materialului. Utilizarea materialelor de umplutură hibride oferă următoarele avantaje principale:
① Efectul sinergic între materiale de umplutură de diferite forme realizează o conductivitate termică mai mare la umpluturi mai mici, menținând în același timp proprietățile mecanice și de prelucrare bune ale polimerului;
② Materialele de umplutură pot conferi și alte funcții materialului, cum ar fi rezistența la flacără și hidrofobia.
01 BN cu umpleri zero-dimensionale: combinație „punct-plan”.
Umplerile zero-dimensionale sunt granulare. Umpluturi bi-dimensionale BN și zero-dimensionale conductoare termic se combină într-o manieră „punct-plan”, umplând golurile dintre lamele, crescând densitatea de împachetare și facilitând formarea rețelelor de conducție termică. Umpluturi obișnuite cu dimensiuni zero-conductoare termic hibridizate cu h-BN includ particule de carbură de siliciu (SiC), nanoparticule de argint (AgNPs), particule de alumină (Al₂O₃) și particule de silice (SiO₂).
02 BN cu umpluturi uni-dimensionale: combinație „linie-plan”.
Umpluturi uni-dimensionale au structuri tubulare sau liniare. BN și materialele de umplutură conductoare termic unidimensionale se combină într-o manieră „linie-plan”, acționând ca „punți” care conectează matricea polimerică și h-BN, făcând rețeaua de conducție termică internă mai densă, reducând rezistența termică interfațală și îmbunătățind eficiența transferului de căldură. Umpluturi obișnuite-conductoare termice unidimensionale hibridizate cu h-BN includ nanotuburi de carbon (CNT), nanofire de carbură de siliciu (SiCNW), nanofire de argint (AgNW), nanofibre de aramid (ANF) și fibre de carbon (CF).
03 BN cu umpluturi bi-dimensionale: combinație „plan-plan”.
Materialele bi-dimensionale au structuri-ca fulgi. Cercetările privind BN combinate cu materiale de umplutură bi-dimensionale se concentrează în principal pe oxidul de grafen (GO). Cele două prezintă o legătură interfacială strânsă, o potrivire bună a spectrului de fononi și o rezistență termică interfacială scăzută, îmbunătățind sinergic în-conductivitatea termică plană. Ambalarea densă a materialelor de umplutură îmbunătățește atât transferul de căldură-plan, cât și-plan, eliminând treptat anizotropia conducției termice.
04 Umpluturi conductoare termic cu mai multe-componente
Hibridizarea h-BN cu mai multe tipuri de materiale de umplutură conductoare termic a devenit un punct fierbinte de cercetare. Creșterea varietății de umpluturi conductoare termic creează căi de conducție termică mai complexe, promovează transferul rapid de căldură și poate conferi mai multe funcții materialului, cum ar fi ignifugarea și hidrofobia. Cu toate acestea, pe măsură ce tipurile de umpluturi conductoare termic cresc, incertitudinile din arhitectura umpluturii se amplifică și ele.
II. Construcția de rețele de conducție termică în trei-dimensionale
Deși materialele de umplutură compozite de diferite dimensiuni și morfologii ale particulelor pot promova eficient formarea căilor de conducție termică în interiorul materialului, introducerea materialelor de umplutură duce la creșterea rezistenței termice interfațale. Construirea unei rețele de conducție termică 3D nu numai că reduce aria de contact dintre materiale de umplutură și matrice și scade rezistența termică interfațală, ci și stabilește o rețea de conducție termică continuă și stabilă, îmbunătățind eficient conductivitatea termică a compozitului la încărcări scăzute de umplutură. În prezent, există patru metode principale de construire a rețelelor de conducție termică 3D:
01 Metoda șablonului: controlabil structural, ușor de operat
Metoda șablonului este utilizată pe scară largă pentru construirea de structuri tri-dimensionale în compozite. Avantajele sale includ controlul precis asupra structurii rețelei, aplicabilitatea la diferite materiale de umplere și matrice și operare simplă. Cu toate acestea, nu poate crește foarte mult conținutul de umplutură.
Metoda șablonului de gheață: utilizează înghețarea direcțională a soluțiilor apoase, în care cristalele de gheață cresc în orientări specifice, pentru a construi o rețea de conducție termică 3D. Este aplicat pe scară largă datorită simplității și ușurinței de operare.
Metoda șablonului cu spumă: folosește spuma ca șablon simplu, cu materiale de umplutură cu conductivitate ridicată-termică- ca componentă principală. Tehnicile de impregnare infiltrează polimerul lichid într-o structură de rețea tridimensională-negativă preformată. Compresia mecanică densifică și aliniază rețeaua de conducție termică, producând compozite conductoare termic de înaltă-performanță pentru aplicații multifuncționale.
Metoda șablonului sacrificial: elimină un șablon inițial pentru a crea o rețea tridimensională de conducție termică interconectată. Numeroase studii au folosit sare și zahăr-solubil în apă ca șabloane sacrificiale pentru a pregăti structuri de rețea 3D în compozite conductoare termic.
02 Metoda de auto-asamblare
O tehnică în care unitățile structurale de bază (molecule, nanomateriale, microni- sau substanțe la scară mai mare-) formează în mod spontan structuri ordonate prin interacțiuni non-covalente. În comparație cu metoda șablonului, este mai simplă, cu costuri mai mici și permite o limită superioară mai mare a conținutului de umplutură. Cu toate acestea, poate introduce lianți sau materiale de umplutură foarte conductoare, afectând performanța izolației.
03 Metoda de apăsare-la cald
Utilizează încălzirea și presarea pentru a construi o structură de rețea 3D orientată, care poate îmbunătăți în mod eficient conductivitatea termică și rezistența mecanică. Acest lucru se realizează în general prin interferențe mecanice. Parametrii procesului de-presare la cald sunt foarte reglabili, permițând controlul orientării și este aplicabil la o gamă largă de sisteme de materiale, întărind în același timp stabilitatea structurală internă.
04 3Metoda de imprimare D
O tehnologie de scriere directă fără mucegai-caracterizată prin libertate mare de proiectare, cost redus și procesare rapidă. În timpul procesului, extrudarea topiturii și fluxul de forfecare induc o orientare ridicată a BNNS-urilor în matricea polimerică, rezultând o rezistență mecanică mai bună și o îmbunătățire a conductibilității termice. Această tehnologie este utilizată pe scară largă atât în cercetare, cât și în producția industrială.
05 Alte metode de construcție
Tehnicile inovatoare de construcție a rețelei 3D (de exemplu, electrofilare, metode mecanochimice) pot crește semnificativ conductivitatea termică, îmbunătățind în același timp alte proprietăți, cum ar fi performanța mecanică și electrică. Cu toate acestea, eficacitatea acestor metode variază și se confruntă cu limitări, cum ar fi lipsa de versatilitate sau condiții experimentale solicitante.