原來大自然的鬼斧神工

早已為超高導(dǎo)熱絕緣材料的研發(fā)

指明了方向

關(guān)于5G設(shè)備的發(fā)熱問題，之前聽說過這樣一個(gè)“路邊社”消息：

2015年，海內(nèi)外的通訊巨頭們開始琢磨著把5G技術(shù)落地為商業(yè)化的產(chǎn)品。

但是熱仿真數(shù)據(jù)一出來把大家嚇了一跳！因?yàn)橛?jì)算結(jié)果顯示，5G基站產(chǎn)生的“廢熱”比4G高出了整整300%！

這個(gè)問題讓通訊廠商們有些措手不及。

因?yàn)橐恢币詠恚袌?chǎng)上商業(yè)化做的比較好的導(dǎo)熱絕緣材料都很“佛系”的徘徊在5.0W/m.K左右。用在4G剛剛好，但是要說拿來為5G基站降溫就實(shí)在是差得太多了！

5G基站的熱仿真

（5Gtechnologyworld.com）

于是，就有廠商找到了英國(guó)曼徹斯特大學(xué)，委托他們研發(fā)出一款導(dǎo)熱率超過20W/m.K的超高導(dǎo)熱絕緣材料。

要說曼徹斯特大學(xué)來頭不小，這幾年炙手可熱的石墨烯就是他們率先分離出來的！因?yàn)檫@個(gè)成就曼大還獲得了2010年的諾貝爾獎(jiǎng)！

曼徹斯特大學(xué)因石墨烯研究獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)
（英國(guó)《衛(wèi)報(bào)》）

所以當(dāng)時(shí)大家都覺得，就憑這群頂尖科學(xué)家的理論功底，搞成這個(gè)事還不是信手拈來嗎！

結(jié)果誰(shuí)都沒想到，數(shù)年后的今天，5G都已經(jīng)普及了，但是用在5G基站上的凝膠和墊片卻依然徘徊在10.0W/m.K以下……

01—該死的“界面熱阻”

其實(shí)，單從導(dǎo)熱理論來看，好像把復(fù)合材料的導(dǎo)熱率提高幾瓦應(yīng)該也不是個(gè)難事。

就以最為知名的Bruggeman導(dǎo)熱模型為例，只要向其中代入填料的導(dǎo)熱率、體積百分比等技術(shù)參數(shù)，就能預(yù)測(cè)出復(fù)合材料的導(dǎo)熱率大概是個(gè)什么水平！

Bruggeman導(dǎo)熱預(yù)測(cè)模型

(高填充改性復(fù)合材料導(dǎo)熱預(yù)測(cè)模型的建立及應(yīng)用_王楊慧)

我們不妨用導(dǎo)熱率高達(dá)300W/m.K的氮化硼粉體為研究對(duì)象，觀察一下這個(gè)導(dǎo)熱模型會(huì)如何預(yù)測(cè)導(dǎo)熱率的變化。

主力導(dǎo)熱絕緣粉體材料

不出所料，Bruggeman模型預(yù)測(cè)出來的曲線弧度非常漂亮！尤其是氮化硼粉體的體積百分比一突破逾滲閾值，墊片的導(dǎo)熱率就開始飆升。

當(dāng)添加量達(dá)到95%，墊片的導(dǎo)熱率甚至逼近了氮化硼本身的導(dǎo)熱率！想突破200W/m.K是妥妥的沒問題！

基于Bruggeman模型對(duì)氮化硼墊片的導(dǎo)熱率預(yù)測(cè)

(高填充改性復(fù)合材料導(dǎo)熱預(yù)測(cè)模型的建立及應(yīng)用_王楊慧)

根據(jù)這個(gè)導(dǎo)熱模型的預(yù)測(cè)——只要不考慮“界面熱阻”，那么導(dǎo)熱填料加的越多，復(fù)合材料的導(dǎo)熱率就越高！

但是哪里不對(duì)吧！現(xiàn)實(shí)情況是材料科學(xué)家們連20W/m.K這種“小目標(biāo)”都還沒搞定啊！

沒錯(cuò)，問題就出在了當(dāng)初被我們刻意忽略不計(jì)的“界面熱阻”！

Bruggeman導(dǎo)熱模型描述的情況是，在墊片內(nèi)部，當(dāng)?shù)鹛盍?/span>搭接起一條導(dǎo)熱的通路，熱量就會(huì)很順暢地從一邊傳導(dǎo)到另一邊。

只要沒有“界面熱阻”的干擾，墊片就像一塊熱量的“超導(dǎo)體”，可以非常高效的把熱量傳遞出來。

不考慮“界面熱阻”的理想導(dǎo)熱模型

但現(xiàn)實(shí)情況是，在導(dǎo)熱墊片的基材里面，氮化硼填料們根本不會(huì)聽話的均勻分散排列，只要湊到一塊必定扎堆團(tuán)聚成N多小團(tuán)簇！

如此一來原本順暢的熱量通路就被切斷！那么這種熱量傳導(dǎo)受到的阻斷就是所謂的“界面熱阻”！

現(xiàn)實(shí)中的“界面熱阻”

也正是這個(gè)原因，理論上可以突破200W/m.K的導(dǎo)熱墊片，在現(xiàn)實(shí)中連20W/m.K都做不到！這還真是“理論很豐滿，現(xiàn)實(shí)很骨感”。

那么，讓氮化硼的填料都按照我們的意圖均勻分散，真的就那么難嗎？

是的，就那么難！

02—難以調(diào)教的“白石墨烯”

如果看一下氮化硼的微觀結(jié)構(gòu)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它和石墨烯怎么這么像！

氮化硼vs石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)（bing.com）

氮原子和硼原子共同構(gòu)建出整齊的六邊形基本單位，然后橫向擴(kuò)展成一張二維薄片！

氮化硼電子顯微鏡照片（bing.com）

這種與石墨烯非常相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)也讓氮化硼具有了堪比石墨烯的超高機(jī)械強(qiáng)度、超強(qiáng)熱穩(wěn)定性！同時(shí)更是具備了陶瓷類導(dǎo)熱粉體頂級(jí)水平的導(dǎo)熱率！

于是，氮化硼就有了一個(gè)外號(hào)“白石墨烯”！

只不過成也蕭何敗也蕭何。如此完美的微觀結(jié)構(gòu)也帶來了一個(gè)嚴(yán)重的“副產(chǎn)品”——材料表面的“惰性”！

因?yàn)榈鹁w的表面極少存在懸掛鍵和電荷陷阱，難以和其他物質(zhì)反應(yīng)，所以絕大多數(shù)高分子有機(jī)材料都不能很好地“浸潤(rùn)”氮化硼！

再加上比表面積比較大，這就讓導(dǎo)熱復(fù)合材料中氮化硼填料的“團(tuán)聚”問題更為突出！

12% 納米BN/硅橡膠復(fù)合材料斷面形貌圖（高導(dǎo)熱硅橡膠復(fù)合絕緣材料制備與綜合性能的研究_朱艷慧）

人才倒是人才，就是難以調(diào)教！

一籌莫展之際，倒是自然界的貝殼給材料學(xué)家們提供了一個(gè)很好的導(dǎo)熱模型！

03—學(xué)習(xí)貝殼好榜樣！29.8W/m.K！

貝殼之所以吸引了人們的注意，主要是因?yàn)閮蓚€(gè)特征：

1）極高的無機(jī)粉體含量！

天然貝殼中的碳酸鈣微片含量超過了95%，但是仍然靠?jī)H有的5%有機(jī)成分維持了很好的韌性。

2）無機(jī)粉體的取向排布！

碳酸鈣碎片沿著二維平面排布，形成了非常整齊規(guī)則的微觀結(jié)構(gòu)。

貝殼無機(jī)粉體的取向排布

（基于微/納米結(jié)構(gòu)單元的有序組裝制備高導(dǎo)熱復(fù)合材料_么依民）

這兩個(gè)特征套用到氮化硼的使用場(chǎng)景就是：

1）盡量提高氮化硼粉體的添加量，以期對(duì)沖掉相當(dāng)一部分“界面熱阻”。正所謂質(zhì)量不行數(shù)量補(bǔ)！

2）氮化硼微片如果也能實(shí)現(xiàn)這種取向排布，就可以讓熱量在二維方向橫向傳導(dǎo)。相對(duì)于無規(guī)則的粉體排布，也就變相減少了“界面熱阻”！

取向排布以減少“界面熱阻”（基于微/納米結(jié)構(gòu)單元的有序組裝制備高導(dǎo)熱復(fù)合材料_么依民）

基于這個(gè)啟發(fā)，科學(xué)家們選擇了氧化石墨烯與氮化硼粉體進(jìn)行搭配。

他們先對(duì)導(dǎo)熱粉體進(jìn)行取向化處理，使得氮化硼以平躺的姿態(tài)延展排布；

再對(duì)氮化硼+氧化石墨烯復(fù)合材料的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

取向排布以減少“界面熱阻”

（基于微/納米結(jié)構(gòu)單元的有序組裝制備高導(dǎo)熱復(fù)合材料_么依民）

最終在實(shí)驗(yàn)室里做出了一個(gè)讓人非常振奮的導(dǎo)熱率—— 29.8W/m.K！

借鑒貝殼原理，實(shí)現(xiàn)突破20W/m.K導(dǎo)熱率
（基于微/納米結(jié)構(gòu)單元的有序組裝制備高導(dǎo)熱復(fù)合材料_么依民）

那么問題來了，導(dǎo)熱率如此之高的復(fù)合材料，出了實(shí)驗(yàn)室還能做出來嗎？

針對(duì)這個(gè)問題，中科院合肥物質(zhì)研究院的田興友博士，發(fā)表了名為《氮化硼參雜石墨烯導(dǎo)熱材料在電子封裝領(lǐng)域的應(yīng)用》的論文。

并且將于11月23/24日舉行的“2020全國(guó)導(dǎo)熱粉體材料創(chuàng)新發(fā)展論壇”上做主題演講，分享超高導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料領(lǐng)域最前沿的技術(shù)！

此外，一眾國(guó)內(nèi)頂尖的導(dǎo)熱粉體材料及應(yīng)用技術(shù)專家也將齊聚此次會(huì)議！當(dāng)然，同樣歡迎您的蒞臨參與！

【報(bào)告及嘉賓】

1、球形氧化鋁粉體在導(dǎo)熱復(fù)合材料的應(yīng)用研究

報(bào)告人：袁方利 研究員、博士生導(dǎo)師

單位：中科院過程工程研究所

2、六方氮化硼納米片的宏量制備及在導(dǎo)熱填料中的應(yīng)用

報(bào)告人：毋偉 教授、博士生導(dǎo)師

單位：北京化工大學(xué)

3、氮化鋁粉體的改性及其作為導(dǎo)熱填料的應(yīng)用

報(bào)告人：魯慧峰 博士、技術(shù)副總監(jiān)

單位：廈門鉅瓷科技有限公司

4、新型導(dǎo)熱填料的制備及其聚合物界面熱阻研究

報(bào)告人：曾小亮 副研究員

單位：中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院

5、超細(xì)金剛石粉體在導(dǎo)熱膠領(lǐng)域中的應(yīng)用

報(bào)告人：栗正新 教授、副院長(zhǎng)

單位：河南工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院

6、氮化硅粉體在導(dǎo)熱填料領(lǐng)域中的應(yīng)用前景

報(bào)告人：崔巍 博士、總經(jīng)理

單位：青島瓷興新材料有限公司

7、無機(jī)非金屬導(dǎo)熱粉體的復(fù)配及在膠黏劑中的應(yīng)用

報(bào)告人：田麗權(quán) 副總經(jīng)理

單位：佛山金戈新材料股份有限公司

8、各類導(dǎo)熱粉體材料的需求現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

報(bào)告人：魏東 總經(jīng)理

單位：東莞東超新材料科技有限公司

9、氮化硼摻雜石墨烯導(dǎo)熱材料在電子封裝領(lǐng)域中的應(yīng)用

報(bào)告人：田興友  研究員、博士生導(dǎo)師

單位：中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院

10、一種動(dòng)力電池用導(dǎo)熱凝膠的制備及對(duì)導(dǎo)熱填料的要求

報(bào)告人：盧雄威 專家

單位：廣州回天新材料有限公司

11、立方碳化硅新材料及其在導(dǎo)熱填料中的應(yīng)用

報(bào)告人：王曉剛 教授、博士生導(dǎo)師，原院長(zhǎng)

單位：西安科技大學(xué)材料學(xué)院

12、氮化硼在熱管理方向的應(yīng)用

報(bào)告人：王存國(guó)   銷售經(jīng)理，陶瓷產(chǎn)品

單位：邁圖高新材料集團(tuán)

13、5G無線充電智能設(shè)備對(duì)導(dǎo)熱材料的需求

報(bào)告人：劉偉生 高級(jí)工程師

單位：原就職于國(guó)內(nèi)某知名消費(fèi)電子公司

14、氧化鋁、石墨烯和氮化硼納米片等導(dǎo)熱粉體的應(yīng)用研究

報(bào)告人：虞錦洪    研究員、博導(dǎo)

單位：中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所

15、【征集發(fā)起】高導(dǎo)熱類球形氧化鋁研發(fā)與應(yīng)用攻堅(jiān)小組

發(fā)起人：孫志昂 教授、總工

單位：河南長(zhǎng)興實(shí)業(yè)有限公司

（報(bào)告持續(xù)更新中）