[发明专利]一种基于大片层本征六方氮化硼的高导热氮化硼纸及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于大片层本征六方氮化硼的氮化硼纸及其制备方法。氮化硼纸的制备方法包括如下步骤：按照质量比为0.2～0.4∶65～80∶100将大片层六方氮化硼、异丙醇和去离子水混合后得到初混液；将初混液通过水浴超声进行分散，随后在室温下静置取上清液；按照多胍类聚合物、水溶性聚合物以及氮化硼分散液的上清液中所含氮化硼之间的质量比为1∶1～4∶2～20制备混合溶液；将混合溶液通过真空抽滤的成型方式和冷静压的后处理方式诱导大片层的六方氮化硼有序组装，制备得到所述氮化硼纸。这种氮化硼纸中，多胍类聚合物利用静电相互作用和氢键相互作用同片层六方氮化硼和较高分子量的水溶性聚合物紧密连接，充当片层六方氮化硼和较高分子量的水溶性聚合物之间的“桥梁”，使制备的氮化硼纸具备较佳的力学强度。利用真空抽滤和冷静压双重诱导六方氮化硼的大片层形成层状高效导热通路，实现了片层六方氮化硼的有序组装，大幅度提高了氮化硼纸的平面内热导率。

技术领域

本发明专利属于复合导热薄膜技术领域，具体涉及一种基于六方氮化硼的高导热氮化硼纸及其制备方法，尤其涉及一种基于未经过强烈剥离处理或功能化处理的大片层六方氮化硼的兼具高导热性能和良好力学强度的氮化硼纸及其制备方法。

背景技术

近年来，得益于微纳加工技术和微电子集成技术的飞速进步，电子设备和元器件不断朝着智能化和多功能化的方向发展。然而，电子设备和元器件的微型化和集成化虽然能够在更小的体积内实现更强大的功能，但是也面临着严峻的散热挑战。随着电子元器件集成化程度以及工作频率的急剧增加，单位面积内的发热量陡然升高，这将显著影响电子元器件的正常性能以及系统运行的可靠性和稳定性，甚至产生强烈的热量导致电子元器件的故障。因此，设计具有高效热管理能力的高导热材料具有重要意义。

一般电子设备的散热途径主要是集成化的电子元器件作为发热源通过界面材料与导热结构件连接，然后通过内部空气传输到外壳，最后散发到外部环境中。目前最有效的散热策略之一是聚焦在散热途径中的界面材料，通过具有高导热性能的导热材料将热量及时导出，降低热量在电子元器件上的聚集。在这种情况下，导热材料需要与电子元器件直接接触，因此要求导热材料不仅要具有良好的导热能力和柔性，还需要较好的电绝缘性能。虽然通过添加碳材料、金属填料和无机陶瓷材料都可以增强材料的导热能力，但由于金属和碳材料的导电性而往往需要在表面负载绝缘层来限制其导电性，绝缘层的引入也会降低复合材料的导热能力，这极大地限制了金属和碳材料作为绝缘导热材料填料的可能性。

六方氮化硼(h-BN)是一种结构类似于石墨的白色层状晶体，被称为“白色石墨”。h-BN以其高热导率，良好的电绝缘特性、高化学稳定性、低热膨胀系数、低介电常数和介电损耗特性成为导热材料的重要填料之一。相比于氧化铝等材料，h-BN的体积电阻率更大，热导率更高，具有明显的片层结构，片层大小和厚度可控，取向化处理后可形成更多有效导热通路，更有利于复合材料导热通路的构建，降低传热阻力，更有利于在热管理中的实际应用，同时还具备耐高温抗氧化，化学性能稳定等优点。

但是，由纯h-BN制备的材料存在质脆、成型性差以及加工成本高等问题。因此，需要选用易加工成型、力学及抗疲劳性能优良、能够和h-BN产生相互作用的聚合物分子进行复合，以实现高热导率和良好力学强度兼容的目标。

一般来说，增加h-BN在聚合物中的含量会明显提高复合材料的热导率。此外也可以通过特定加工方式比如通过真空抽滤的方法来调整h-BN片层在聚合物中的分布取向以增加有效导热通道，增加复合材料的热导率。但是大量h-BN的加入不可避免会造成复合材料力学性能的大幅度下降。

同时，大片层的h-BN很难通过混合溶液的方式被加工，比如真空抽滤的方法。在真空抽滤过程中h-BN大片层因为厚度和片径过大在混合溶液中产生严重沉降，使真空抽滤失效。虽然通过剧烈的超声剥离、球磨剥离或者化学方法剥离可以得到片径小、厚度薄的h-BN小片层，在溶液中可以形成相对稳定的分散体系，但是在剥离处理的过程中会使h-BN的原始晶体结构被破坏，引入缺陷，在一定程度上影响复合后得到的氮化硼纸的热导率。同时也会面临剥离产率、剥离效率以及长时间剧烈剥离处理带来的成本问题。