Във високо-технологични области, като електронни устройства, превозни средства с нова енергия и LED осветление, ефективните материали за разсейване на топлината са от решаващо значение. Традиционните полимери обикновено показват лоша топлопроводимост, като не отговарят на изискванията за разсейване на топлината на устройства с висока-мощност. За да се справят с това, изследователите включват пълнители с висока -топлопроводимост- в полимерите. Борният нитрид (BN) привлече много внимание поради отличната си топлопроводимост, електрическа изолация и химическа стабилност. Въпреки това, използването само на BN пълнители често затруднява образуването на непрекъснати и ефективни пътища за топлопроводимост. Следователно, чрез съзнателно проектиране и регулиране, като се започне от два аспекта – „много-синергия на пълнител“ и „три-изграждане на мрежа“ – може да се изгради ефективна мрежа за топлопроводимост при относително ниски натоварвания на пълнител, като по този начин се произвеждат композити с висока-топлопроводимост-.
I. Борен нитрид и смесване на много-измерен пълнител
За единичен BN пълнител една и съща структура и размер са склонни да създават празнини в полимера, а лошата топлопроводимост на въздуха ограничава подобряването на топлинните характеристики на материала. Използването на хибридни пълнители предлага следните основни предимства:
① Синергичният ефект между пълнители с различни форми постига по-висока топлопроводимост при по-ниски пълнежи, като същевременно поддържа добри механични и технологични свойства на полимера;
② Пълнителите могат да придадат и други функции на материала, като забавяне на горенето и хидрофобност.
01 BN с нулев-размерен пълнеж: комбинация „точка–равнина“.
Пълнителите с нулево-измерение са гранулирани. Дву-измерните BN и нулево-измерните топлопроводими пълнители се комбинират по начин "точка-равнина", запълвайки празнините между ламелите, увеличавайки плътността на опаковката и улеснявайки образуването на топлопроводими мрежи. Обичайните нулево-размерни топлопроводими пълнители, хибридизирани с h-BN, включват частици силициев карбид (SiC), сребърни наночастици (AgNPs), частици алуминиев оксид (Al₂O3) и частици силициев диоксид (SiO₂).
02 BN с едно-дименсионални пълнители: комбинация „линия–равнина“.
Едномерните пълнители- имат тръбна или линейна структура. BN и -дименсионалните топлопроводими пълнители се комбинират по начин "линия-равнина", действайки като "мостове", свързващи полимерната матрица и h-BN, правейки вътрешната топлопроводима мрежа по-плътна, намалявайки междинното термично съпротивление и подобрявайки ефективността на топлопреноса. Обичайните едно-дименсионални топлопроводими пълнители, хибридизирани с h-BN, включват въглеродни нанотръби (CNT), наножици от силициев карбид (SiCNW), сребърни наножици (AgNW), арамидни нановлакна (ANF) и въглеродни влакна (CF).
03 BN с дву-измерни пълнители: комбинация „равнина–равнина“.
Двумерните-материали имат люспести-структури. Изследванията върху BN, комбинирани с дву-измерни пълнители, се фокусират главно върху графенов оксид (GO). Двете показват тясно междуфазово свързване, добро съвпадение на фононния спектър и ниско междинно термично съпротивление, което синергично повишава топлопроводимостта в -равнината. Плътното опаковане на пълнителите подобрява преноса на топлина както в-равнината, така и през-равнината, като постепенно елиминира анизотропията на топлопроводимостта.
04 Много-компонентни термопроводими пълнители
Хибридизирането на h-BN с множество видове топлопроводими пълнители се превърна в изследователска гореща точка. Увеличаването на разнообразието от топлопроводими пълнители създава по-сложни пътища на топлопроводимост, насърчава бърз трансфер на топлина и може да придаде множество функции на материала, като забавяне на горенето и хидрофобност. Въпреки това, тъй като видовете топлопроводими пълнители се увеличават, несигурностите в архитектурата на пълнителя също се увеличават.
II. Изграждане на три{1}}измерни мрежи за топлопроводимост
Въпреки че композитните пълнители с различни размери на частиците и морфологии могат ефективно да насърчат образуването на пътища на топлопроводимост вътре в материала, въвеждането на пълнители води до повишена междинна термична устойчивост. Изграждането на 3D мрежа за топлопроводимост не само намалява контактната площ между пълнителите и матрицата и понижава междинното термично съпротивление, но също така установява непрекъсната и стабилна мрежа за топлопроводимост, като ефективно подобрява топлопроводимостта на композита при ниски натоварвания на пълнителя. В момента има четири основни метода за изграждане на 3D топлопроводими мрежи:
01 Метод на шаблона: структурно контролируем, лесен за работа
Методът на шаблона се използва широко за конструиране на три{0}}измерни структури в композити. Предимствата му включват прецизен контрол върху структурата на мрежата, приложимост към различни пълнители и матрици и лесна работа. Въпреки това, той не може значително да увеличи съдържанието на пълнител.
Метод на леден шаблон: Използва насоченото замразяване на водни разтвори, където ледените кристали растат в специфични ориентации, за да се изгради 3D мрежа за топлопроводимост. Намира широко приложение поради своята простота и лекота на работа.
Метод на шаблон с пяна: Използва пяна като прост шаблон с пълнители с висока -топлопроводимост- като основен компонент. Техниките за импрегниране инфилтрират течен полимер в предварително оформена триизмерна мрежеста структура с отрицателно-налягане. Механичното компресиране уплътнява и подравнява топлопроводимата мрежа, произвеждайки високо-ефективни топлопроводими композити за многофункционални приложения.
Метод на жертвения шаблон: Премахва първоначален шаблон, за да създаде три{0}}измерна взаимосвързана топлопроводима мрежа. Многобройни изследвания са използвали сол и-водоразтворима захар като жертвени шаблони за подготовка на 3D мрежови структури в топлопроводими композити.
02 Метод-на самосглобяване
Техника, при която основни структурни единици (молекули, наноматериали, вещества с микронен- или по-голям-мащаб) спонтанно образуват подредени структури чрез не-ковалентни взаимодействия. В сравнение с метода на шаблона, той е по-прост, по-евтин и позволява по-висока горна граница на съдържанието на пълнител. Въпреки това, той може да въведе свързващи вещества или силно проводими пълнители, което да повлияе на изолационните характеристики.
03 Метод на горещо пресоване
Използва нагряване и пресоване за изграждане на ориентирана 3D мрежова структура, която може ефективно да подобри топлопроводимостта и механичната якост. Това обикновено се постига чрез механична намеса. Параметрите на процеса-на горещо пресоване са много регулируеми, което позволява контрол на ориентацията и е приложимо за широк набор от материални системи, като същевременно укрепва вътрешната структурна стабилност.
04 3Метод на печат D
Технология-за директно писане без мухъл, характеризираща се с голяма свобода на дизайна, ниска цена и бърза обработка. По време на процеса екструзията на стопилка и потокът на срязване предизвикват висока ориентация на BNNS в полимерната матрица, което води до по-добра механична якост и подобряване на топлопроводимостта. Тази технология се използва широко както в научните изследвания, така и в промишленото производство.
05 Други строителни методи
Иновативните техники за изграждане на 3D мрежа (напр. електрозавъртане, механохимични методи) могат значително да повишат топлопроводимостта, като същевременно подобряват други свойства като механични и електрически характеристики. Ефективността на тези методи обаче варира и те са изправени пред ограничения като липса на гъвкавост или взискателни експериментални условия.