六方氮化硼（h-BN）在3D打印型導熱復合材料中的應用

3D打印法能有效控制導熱填料的取向結構，甚至可以制備出三維網絡結構，是構建導熱復合材料三維網絡結構的方式之一，由該方法制備的導熱復合材料可以在低導熱填料填充下獲得較大的導熱系數(shù)。

目前3D打印技術導熱復合材料所用打印材料包括聚合物材料、金屬材料、陶瓷材料等。以光固化樹脂、聚乳酸（PLA）、丙烯腈?丁二烯?苯乙烯（ABS）、聚苯硫醚（PPS）、聚氨酯（PU）、聚酰胺（PA）、聚醚醚酮（PEEK）等各種聚合物為基體的導熱復合材料可以運用在散熱器、熱交換器或模具加工的材料（通常在系統(tǒng)之間需要熱交換的任何地方）。本文將介紹通過3D打印技術將六方氮化硼（以下簡稱氮化硼，BN）制備成導熱復合材料的案例。

在導熱填料中，氮化硼因其化學穩(wěn)定性、絕緣性、高導熱性和高彈性模量等優(yōu)點，被認為是一種非常有前景的絕緣導熱填料。同時，它表現(xiàn)出了顯著的各向異性導熱性能，其中面內導熱系數(shù)［300~600W/（m·K）］遠高于面外［30W/（m·K）］，因此，在制備氮化硼高分子導熱復合材料時，需要對氮化硼填料進行校準，最大限度地減小傳熱方向上的熱阻，從而獲得更高的導熱系數(shù)。3D打印技術可以有效實現(xiàn)氮化硼填料的有序對齊，顯著提高導熱復合材料的導熱系數(shù)，甚至提高材料的其他性能。圖1 是3D打印熱塑性聚氨酯（TPU）/氮化硼（BN）復合材料的制備示意圖。Gao等通過3D打印技術制備了熱塑性聚氨酯/氮化硼納米片復合材料。結果表明，熱塑性聚氨酯/氮化硼納米片復合材料的導熱性能主要取決于噴嘴直徑/層厚的比值，而對打印速度的依賴性較小。他們認為增大噴嘴直徑會減小噴嘴內的絕對力從而減小氮化硼的取向度，而增大打印速度對氮化硼的取向度影響不大。試驗發(fā)現(xiàn)，對于某一噴嘴，提高打印速度和減小層厚都可以提高氮化硼納米片的取向度，但打印速度過高容易導致打印缺陷，層厚過低則會導致相鄰填料間脫黏，致密性較差。

表1是通過3D打印技術制備的不同種類的氮化硼導熱復合材料。材料的性能取決于材料的結構，使用3D打印技術制備氮化硼導熱復合材料時，影響其導熱性能的因素包括氮化硼填料的粒徑、填充量以及3D打印設備的各項參數(shù)。Li等采用3D打印技術制備了等規(guī)聚丙烯/六方氮化硼導熱復合材料，他們發(fā)現(xiàn)粒徑越大的氮化硼在基體中的取向度越高，熱導率越大。Chen等采用3D打印技術制備了聚酰胺/六方氮化硼導熱復合材料，Lee等采用磁場輔助3D打印制備了UV樹脂/六方氮化硼導熱復合材料，試驗結果都表明隨著基體中氮化硼填料填充量的增加，導熱復合材料的導熱性能也在逐步提高。Liu等先將不同含量的BN、Al₂O₃與液態(tài)PDMS混合攪拌2h，然后逐漸加入固化劑和催化劑，攪拌脫氣進行3D打印成型。定向良好的BN板構建了有效的導熱通道，并與Al₂O₃顆粒結合形成相互連通良好的導熱網絡。同時，Al₂O₃顆粒的存在使BN板的黏度增加，使其定向度進一步增大。填料取向和雜化填料的共同作用對提高材料的導熱性能產生了協(xié)同效應，有效地降低了熱界面電阻。因此，在使用3D打印技術制備氮化硼導熱復合材料時，在關注氮化硼填料粒徑與填充量的同時，也需要平衡層厚和打印速度這兩個參數(shù)間的關系。

表1 3D打印技術制備的不同種類的氮化硼導熱復合材料