一种高导热氮化硼纤维，热导率达54W/mK！

2025年05月06日 17:41

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背景介绍

创新的热管理纤维材料已成为解决不同领域热挑战的解决方案，从个人舒适度和电子设备冷却到航空航天工程。虽然石墨烯纤维以其比传统碳纤维更高的导热性而闻名，但氮化硼（BN）尽管结合了高导热性和显著的绝缘性能，但其一维形式受到的关注要少得多。以前的研究主要集中在聚合物基质中嵌入BN纳米片的复合纤维。相比之下，纯BN纤维和随之而来的单纤维水平的热导率研究几乎没有报道。

成果掠影

近日，北京大学刘磊、宋柏与郭海长团队通过聚合物衍生陶瓷方法制造连续、纯氮化硼纤维的过程，并将其作为热传导填料进行研究。综合的结构表征证实了纤维的高质量和纯度，没有明显的污染。通过开发的big-MEMS方法，单根氮化硼纤维的热导率被精确测量，并达到了令人印象深刻的54 W/mK。此外，通过堆叠-切割方法，所得的垂直排列的氮化硼纤维增强环氧复合材料的热导率高达24 W/mK，显示出作为热界面材料的巨大潜力。这项工作探索了纯氮化硼纤维在电绝缘热管理应用中的潜力。研究成果以“Highly Thermally Conductive Boron Nitride Fiber”为题发表在《ACS Nano》期刊。

图文导读

图1.连续、高质量氮化硼（BN）纤维的制备工艺示意图。通过两个步骤的热处理提高了BN纤维的纯度和结晶度。插图：制备完成的BN纤维代表性光学显微图像。

图2.氮化硼（BN）纤维表征结果。（a）单根BN纤维的典型SEM图像，分别显示纤维外部形貌（左图）与内部结构（右图）。插图：单根纤维表面放大SEM图像。（b）纤维表面随机选取区域的SEM图像（左图）及其对应EDS面扫图像（右图组）。（c）EDS全谱分析，未检测到明显杂质。（d,e）BN纤维的宽范围XPS全谱（d）及高分辨B 1s和N 1s谱（e）。（f-h）BN纤维的傅里叶变换红外光谱（f）、拉曼光谱（g）与X射线衍射（h）表征结果。

图3.采用big-MEMS法测量单根BN纤维热导率（κ）。（a）big-MEMS装置示意图，主要包含加热元件与传感元件，样品固定于两元件之间。插图：加热区的放大视图。（b）搭载单根BN纤维的big-MEMS器件SEM图像。插图：big-MEMS方法的热阻网络模型。（c）加热元件温升ΔTh（红色圆点）与传感元件温升ΔTs（蓝色圆点）随加热功率变化曲线。（d）单根BN纤维热导率对比：本工作纯BN纤维与已报道单根复合材料纤维数据对比。注：复合BN纤维通常含有聚合物基体，其测量主要采用瞬态电热技术。

图4.BN纤维/环氧树脂复合材料的制备与性能。（a）制备BN纤维/环氧复合材料的"堆叠-切割"（stacking-cutting）工艺示意图。（b）复合材料表面形貌的光学显微图像（左图）与俯视SEM图像（右图）。（c）自下而上：随机分散BN纳米片填充环氧复合材料的XRD图谱，以及采用顶入射（top）和侧入射（side）X射线的BN纤维/环氧复合材料XRD图谱。高角度区强度（右图）放大8倍，并标注（100）与（002）晶面的峰强比I(100)/I(002)。（d）纯环氧树脂、随机分散BN纳米片（r-BNNS）、随机分散BN纤维（r-fiber）、水平取向排列BN纤维（h-fiber）及垂直取向排列BN纤维（v-fiber）复合材料的导热性能对比。其中：r-BNNS和r-fiber体系BN含量分别为20 wt%和40 wt%，h-fiber体系BN含量71 wt%，v-fiber体系BN含量分别为14 wt%、32 wt%和65 wt%。（e）本工作BN纤维增强环氧复合材料的面外热导率（through-plane κ）与BN复合纤维、BN纳米带及BN棒填充复合材料的性能对比。（f）纯环氧树脂及不同取向BN纤维/环氧复合材料的体积电阻率，BN含量与（d）相同。

图5. BN纤维/环氧复合材料作为热界面材料（TIMs）的器件性能。（a,b）评估纯环氧树脂与BN纤维/环氧复合材料散热性能的实验装置示意图（a）及光学照片（b）。（c）通过红外热像仪（IR camera）获取的测试器件温度分布。（d）LED芯片在多次开关循环过程中的温度变化曲线。

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湖南烯瑞自动化设备有限公司氮化硼烧结炉

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