一種原位合成高導(dǎo)熱S-BN方法的探究

摘 要：隨著科技的飛速發(fā)展，為減少因電力電子設(shè)備內(nèi)部熱量積蓄造成設(shè)備安全隱患，高導(dǎo)熱熱界面材料受到研究人員的廣泛關(guān)注。球形氮化硼（S-BN）不僅保持了氮化硼原有的優(yōu)良性能，而且還具有顆粒度良好，比表面積高等優(yōu)點，實現(xiàn)了高填充、高導(dǎo)熱的優(yōu)良性能。本文主要探究了一種通過選取合理的硼源、氮源原位合成高導(dǎo)熱球形氮化硼材料的方法。

關(guān)鍵詞：高導(dǎo)熱；S-BN；球形氮化硼；原位合成；熱處理

1 引 言

當(dāng)今時代，電力電子產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，各種設(shè)備加速向微型化、多功能化等方向靠攏，設(shè)備內(nèi)部集成度也隨之越來越高，單位體積產(chǎn)生了更多的熱量，造成設(shè)備內(nèi)部熱量積蓄嚴重，使得設(shè)備的工作安全隱患增大、使用壽命降低，嚴重影響了電力電子設(shè)備的穩(wěn)定運行。為了保障器件正常運轉(zhuǎn)，必須將產(chǎn)生多余的熱量散發(fā)出去，因此如何實現(xiàn)有限空間內(nèi)的快速散熱是現(xiàn)如今電力電子設(shè)備發(fā)展的關(guān)鍵問題。

球形氮化硼是一種由氮化硼微米級單片組成的多晶球體。與片狀、管狀、層狀氮化硼相比，球形氮化硼不僅保持了氮化硼原有的優(yōu)良性能，而且還具有顆粒流動性好、比表面積高等優(yōu)良品質(zhì)，可使氮化硼在聚合物內(nèi)的添加量更高，進而獲得更高的熱導(dǎo)率性能，并且大的顆粒填充因子和大的特定區(qū)域，克服片層狀BN在聚合物中填充量小的缺點，實現(xiàn)高填充量、高導(dǎo)熱的目的。

當(dāng)前我國發(fā)展氮化硼陶瓷產(chǎn)業(yè)政策及市場需求前景可觀，市場潛力較大，投資該項目有較強的市場可行性、經(jīng)濟效益可行性，不僅可以促進我國新型氮化硼陶瓷產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，還可以有效滿足當(dāng)前市場需求。

但國內(nèi)市場上銷售的氮化硼通常為片狀或不規(guī)則團聚體，表面積低，氧碳雜質(zhì)含量高，結(jié)晶度差。目前國內(nèi)球形氮化硼的形成機理尚不完善，制備工藝尚不成熟，國內(nèi)多數(shù)利用噴霧造粒制備成球形，限制了球形氮化硼在國防軍事及電力電子等領(lǐng)域應(yīng)用。

2 原位合成S-BN的原理

目前國內(nèi)外球形氮化硼納米粒徑主要采用氣相法制成，微米級別主要采用噴霧造粒法合成。本文研究的原位合成S-BN技術(shù)研究的原理是采用硼酸、硼砂以及三聚氰胺等原材料，進行噴塔造粒，經(jīng)高溫?zé)崽幚碓簧L，合成高純球形氮化硼粉體；經(jīng)過實驗驗證得到的球形氮化硼粉體純度高、粉體活性高，非常適合做塊體氮化硼陶瓷材料的原材料，也可用于W9M3djsYpXL+jlbombxBSxNtqQKC5KQUzyHc/GWDbO0=導(dǎo)熱填料等多個領(lǐng)域。

3 原位合成S-BN的工藝

采用合適、高純氮化硼合成的原材料，通過混合，加入合適的助劑，通過噴霧造粒等工藝，造出合適粒徑的球形氮化硼前驅(qū)體，然后通過真空燒結(jié)或者氮化工藝，進一步高溫處理，使得球形氮化硼中間體進一步致密化和晶型完整化，賦予球形氮化硼顆粒高強度和高導(dǎo)熱性，從而滿足填料在調(diào)配、施工過程中的使用要求。

4 原位合成S-BN的方法

4.1原材料的選擇研究

本研究主要以硼砂、硼酸為硼源，以三聚氰胺、氯化銨或尿素為氮源，其特性各不相同；如硼砂作為硼源及催化劑，需要添加，引入必定會帶入Na離子，Na離子最終成為產(chǎn)品中雜質(zhì)，引入量如何確定，后續(xù)如何處理，采用水洗法浸出還是其他辦法除去Na離子，根據(jù)實際情況采用不同方法來對待；另外三聚氰胺作為一種最為常見的氮源，但由于其水溶性低，如何保證其在水溶液中完全反應(yīng)，并且在噴霧之前做成均勻漿料，都是技術(shù)關(guān)鍵。

4.2配方體系的設(shè)計

根據(jù)球形氮化硼粉體的用途，采用合適材料體系的配方。如果用作導(dǎo)熱填料，則需要提高BN純度，減少B2O3及O含量，提高其導(dǎo)熱性能。提高氮化硼純度，首先考慮原輔材料的B/N比例，必須將N源比例適當(dāng)提高，使得原料中的B源反應(yīng)完全，不能有剩余的B2O3存在；其次，前驅(qū)體噴霧造粒完成以后，第一次熱處理的制度選擇，需要根據(jù)球形前驅(qū)體的實際情況確定；需根據(jù)其中O、C含量選擇一個合適的熱處理制度進行熱處理，確保在二次熱處理以前，將其中的O、C排除干凈。

4.3原料處理工藝的研究

球形氮化硼粉體前驅(qū)體的制備，將合適硼砂、硼酸溶入合適的水中，并加熱到80～98℃，加入經(jīng)過磨細處理的超細三聚氰胺，通過攪拌，在恒溫恒濕的條件下，保持20～50小時，使得硼酸和三聚氰胺的混合物而形成的新型硼酸三聚氰胺（C3N6H6·2H3BO3）粒子，即得球形氮化硼粉體的前驅(qū)體。

噴霧造粒過程中，我們還需控制料漿粘度、濃度以及噴塔進出口的溫度等參數(shù)，得到不同粒徑的球形BN粉體，達到預(yù)期效果；料漿粘度主要通過下面的幾個因素來控制：固相含量、料漿PH值、料漿Zeta電位等；噴霧造粒參數(shù)則是通過調(diào)整霧化盤類型、霧化盤線速度以及進出口溫度等控制；球形氮化硼顆粒分級技術(shù)控制通過如下關(guān)鍵工藝參數(shù)：引風(fēng)機頻率、分級輪線速度等來控制。

4.4燒結(jié)工藝研究

球形氮化硼粉體前驅(qū)體熱處理分成2步，第一步為低溫?zé)崽幚恚摬襟E目的為除去結(jié)晶水，有機部分裂解，排掉C、O有害雜質(zhì)，因此會選擇溫度在400-700℃范圍內(nèi)進行熱處理，以確保得到足夠純度的球形BN中間體。第二步熱處理，目的為將球形BN中間體轉(zhuǎn)化為BN，使得BN晶粒發(fā)育、長大，并結(jié)晶完全，得到結(jié)晶度高的BN晶粒；同時確保晶粒在球形BN內(nèi)部進行重新排列，達到晶粒緊密接觸，致密度足夠高的球形氮化硼粉體，從而確保其有足夠?qū)嵝阅堋?/p>

4.5產(chǎn)品的性能評價研究

球形氮化硼粉體自身的評價，可從粒度、振實密度、比表面積、導(dǎo)熱系數(shù)、雜質(zhì)含量等方面進行評價。其振實密度反應(yīng)了球形氮化硼顆粒的堆積密度，對后期向?qū)針渲尤脒^程中具有指導(dǎo)意義。比表面積則是反應(yīng)了球形氮化硼粉體的表面致密度，對于球形粉體在導(dǎo)熱膠中加入量直接相關(guān)。雜質(zhì)含量則從微觀角度，來確保BN晶粒有著更少的晶格缺陷，確保球形粉體的導(dǎo)熱效果。

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Study on a method of in-situ synthesis of high thermal conductivity S-BN

ZHANG Dong，ZHANG Da-jun，DUAN Wen-ting，ZHOU Hai-li，LIN Xin-feng

（1.Shandong Industrial Ceramics Research & Design Institute Co.， Ltd. ShanDong ZiBo 255000

2.Shandong Ceramics Research & Design Institute Pingxiang Branch，JiangxiPingxiang 337000）

Abstract： With 072cc03c3e110993bbac9b43ab624c11the rapid development of science and technology， high thermal conductivity interface materials have been paid more and more attention by researchers in order to reduce the potential safety hazard caused by heat accumulation in power electronic equipment. Spheroidal b3f803aadda3427c59115ba5815aad27eoron nitride （S-BN） not only keeps the original excellent properties of BN， but also has the advantages of good particle size， high specific surface area and so on. In this paper， a method of in-situ synthesis of high thermal conductivity spherical boron nitride materials by selecting reasonable boron and nitrogen sources is studied.

Keywords： High thermal conductivity；S-BN；spherical boron nitride；in-situ synthesis；heat treatment