Trong các lĩnh vực công nghệ cao-như thiết bị điện tử, phương tiện sử dụng năng lượng mới và đèn LED, vật liệu tản nhiệt hiệu quả là rất quan trọng. Các polyme truyền thống thường có tính dẫn nhiệt kém, không đáp ứng được yêu cầu tản nhiệt của các thiết bị có-công suất cao. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu kết hợp chất độn có tính dẫn điện-nhiệt-cao vào polyme. Boron nitride (BN) đã thu hút nhiều sự chú ý nhờ tính dẫn nhiệt, cách điện và ổn định hóa học tuyệt vời. Tuy nhiên, chỉ sử dụng chất độn BN thường gây khó khăn cho việc hình thành các đường dẫn nhiệt liên tục và hiệu quả. Do đó, thông qua thiết kế và điều chỉnh có chủ ý, bắt đầu từ hai khía cạnh – "sức mạnh tổng hợp của chất độn đa chiều" và "xây dựng mạng ba chiều" – một mạng dẫn nhiệt hiệu quả có thể được xây dựng ở mức tải chất độn tương đối thấp, từ đó tạo ra vật liệu tổng hợp có độ dẫn nhiệt{11}}cao.
I. Boron nitrit và hỗn hợp chất độn đa chiều-
Đối với chất độn BN đơn lẻ, cấu trúc và kích thước giống nhau có xu hướng tạo ra các khoảng trống trong polyme và tính dẫn nhiệt kém của không khí sẽ hạn chế việc cải thiện hiệu suất nhiệt của vật liệu. Sử dụng chất độn lai mang lại những ưu điểm chính sau:
① Tác dụng hiệp đồng giữa các chất độn có hình dạng khác nhau đạt được độ dẫn nhiệt cao hơn ở các chất trám thấp hơn trong khi vẫn duy trì các đặc tính cơ học và xử lý tốt của polyme;
② Chất độn cũng có thể truyền các chức năng khác cho vật liệu, chẳng hạn như khả năng chống cháy và kỵ nước.
01 BN có phần lấp đầy bằng không-chiều: kết hợp "điểm-mặt phẳng"
Chất độn không{0}}chiều có dạng hạt. Các chất độn dẫn nhiệt hai chiều -BN và 0{3}} chiều kết hợp theo kiểu "điểm–mặt phẳng", lấp đầy khoảng trống giữa các phiến kính, tăng mật độ đóng gói và tạo điều kiện hình thành mạng lưới dẫn nhiệt. Các chất độn dẫn nhiệt không chiều-thông thường được lai với h-BN bao gồm các hạt cacbua silic (SiC), hạt nano bạc (AgNP), hạt alumina (Al₂O₃) và hạt silica (SiO₂).
02 BN với các phần đệm một chiều-: kết hợp "đường-mặt phẳng"
Chất độn một chiều-có cấu trúc hình ống hoặc tuyến tính. BN và các chất độn dẫn nhiệt một chiều-kết hợp theo kiểu "đường-mặt phẳng", đóng vai trò là "cầu nối" kết nối ma trận polyme và h-BN, làm cho mạng dẫn nhiệt bên trong dày đặc hơn, giảm điện trở nhiệt giữa các bề mặt và cải thiện hiệu suất truyền nhiệt. Các chất độn dẫn nhiệt một chiều-thông thường được lai với h-BN bao gồm ống nano carbon (CNT), dây nano silicon cacbua (SiCNW), dây nano bạc (AgNW), sợi nano aramid (ANF) và sợi carbon (CF).
03 BN với các phần đệm hai chiều-: kết hợp "mặt phẳng-mặt phẳng"
Vật liệu hai chiều có cấu trúc dạng vảy. Nghiên cứu về BN được kết hợp với chất độn hai chiều-chủ yếu tập trung vào graphene oxit (GO). Cả hai đều thể hiện liên kết bề mặt gần nhau, khả năng kết hợp phổ phonon tốt và khả năng chịu nhiệt ở bề mặt thấp, đồng thời tăng cường khả năng dẫn nhiệt trong mặt phẳng. Việc đóng gói dày đặc các chất độn giúp cải thiện cả quá trình truyền nhiệt trong-mặt phẳng và xuyên suốt-mặt phẳng, loại bỏ dần tính dị hướng dẫn nhiệt.
04 Chất độn dẫn nhiệt nhiều thành phần
Việc lai h-BN với nhiều loại chất độn dẫn nhiệt đã trở thành điểm nóng nghiên cứu. Việc tăng cường đa dạng các chất độn dẫn nhiệt sẽ tạo ra các đường dẫn nhiệt phức tạp hơn, thúc đẩy truyền nhiệt nhanh và có thể truyền nhiều chức năng cho vật liệu, chẳng hạn như khả năng chống cháy và kỵ nước. Tuy nhiên, khi số lượng chất độn dẫn nhiệt tăng lên, độ không đảm bảo trong cấu trúc chất độn cũng tăng lên.
II. Xây dựng mạng dẫn nhiệt ba chiều
Mặc dù các chất độn tổng hợp có kích thước hạt và hình thái khác nhau có thể thúc đẩy sự hình thành các đường dẫn nhiệt bên trong vật liệu một cách hiệu quả, nhưng việc đưa ra các chất độn sẽ dẫn đến tăng khả năng chịu nhiệt bề mặt. Việc xây dựng mạng dẫn nhiệt 3D không chỉ làm giảm diện tích tiếp xúc giữa chất độn và ma trận, đồng thời giảm điện trở nhiệt bề mặt mà còn thiết lập mạng dẫn nhiệt liên tục và ổn định, cải thiện hiệu quả độ dẫn nhiệt của composite khi tải chất độn thấp. Hiện nay, có bốn phương pháp chính để xây dựng mạng dẫn nhiệt 3D:
01 Phương pháp mẫu: có cấu trúc điều khiển được, dễ vận hành
Phương thức mẫu được sử dụng rộng rãi để xây dựng các cấu trúc ba chiều trong vật liệu tổng hợp. Ưu điểm của nó bao gồm kiểm soát chính xác cấu trúc mạng, khả năng ứng dụng cho các chất độn và ma trận khác nhau cũng như vận hành đơn giản. Tuy nhiên, nó không thể làm tăng đáng kể hàm lượng phụ.
Phương pháp mẫu băng: Sử dụng quá trình đóng băng định hướng của dung dịch nước, trong đó các tinh thể băng phát triển theo các hướng cụ thể, để xây dựng mạng dẫn nhiệt 3D. Nó được áp dụng rộng rãi do tính đơn giản và dễ vận hành.
Phương pháp tạo mẫu bọt: Sử dụng bọt làm mẫu đơn giản, với thành phần chính là chất độn-có tính dẫn nhiệt{1}}cao. Kỹ thuật ngâm tẩm thấm polyme lỏng vào cấu trúc mạng ba chiều áp suất âm-ba{4}}âm được hình thành trước. Nén cơ học tăng mật độ và căn chỉnh mạng dẫn nhiệt, tạo ra vật liệu tổng hợp dẫn nhiệt hiệu suất cao cho các ứng dụng đa chức năng.
Phương pháp mẫu thay thế: Loại bỏ mẫu ban đầu để tạo mạng dẫn nhiệt liên kết ba chiều. Nhiều nghiên cứu đã sử dụng muối và đường hòa tan trong nước-làm mẫu hy sinh để chuẩn bị cấu trúc mạng 3D trong vật liệu tổng hợp dẫn nhiệt.
02 Phương pháp tự lắp ráp
Một kỹ thuật trong đó các đơn vị cấu trúc cơ bản (phân tử, vật liệu nano, các chất có kích thước micron- hoặc lớn hơn{1}}) tự hình thành các cấu trúc có trật tự thông qua các tương tác không{2}}cộng hóa trị. So với phương pháp mẫu, nó đơn giản hơn, chi phí thấp hơn và cho phép giới hạn trên của nội dung phụ cao hơn. Tuy nhiên, nó có thể đưa vào các chất kết dính hoặc chất độn có tính dẫn điện cao, ảnh hưởng đến hiệu suất cách nhiệt.
03 Phương pháp ép nóng
Sử dụng quá trình gia nhiệt và ép để xây dựng cấu trúc mạng 3D định hướng, có thể tăng cường hiệu quả tính dẫn nhiệt và độ bền cơ học. Điều này thường đạt được thông qua sự can thiệp cơ học. Các thông số của quy trình ép nóng-có khả năng điều chỉnh cao, cho phép kiểm soát hướng và có thể áp dụng cho nhiều hệ thống vật liệu đồng thời tăng cường độ ổn định cấu trúc bên trong.
04 3Phương pháp in D
Một công nghệ viết trực tiếp không có khuôn mẫu-được đặc trưng bởi khả năng tự do thiết kế cao, chi phí thấp và xử lý nhanh. Trong quá trình này, quá trình đùn nóng chảy và dòng cắt tạo ra sự định hướng cao của BNNS trong ma trận polymer, dẫn đến độ bền cơ học tốt hơn và tăng cường độ dẫn nhiệt. Công nghệ này được sử dụng rộng rãi trong cả nghiên cứu và sản xuất công nghiệp.
05 Các biện pháp thi công khác
Các kỹ thuật xây dựng mạng 3D tiên tiến (ví dụ phương pháp quay điện, cơ hóa học) có thể làm tăng đáng kể độ dẫn nhiệt đồng thời cải thiện các tính chất khác như hiệu suất cơ và điện. Tuy nhiên, hiệu quả của các phương pháp này khác nhau và chúng gặp phải những hạn chế như thiếu tính linh hoạt hoặc đòi hỏi điều kiện thí nghiệm khắt khe.