超高导热氮化硼在3D打印复合材料中的优势
在导热填料中，氮化硼因其化学稳定性、绝缘性、高导热性和高弹性模量等优点，被认为是一种非常有前景的绝缘导热填料。同时，它表现出了显著的各向异性导热性能，其中面内导热系数[300~600W/(m·K)]远高于面外[30W/(m·K)]，因此，在制备氮化硼高分子导热复合材料时，需要对氮化硼填料进行校准，最大限度地减小传热方向上的热阻，从而获得更高的导热系数。3D打印技术可以有效实现氮化硼填料的有序对齐，显著提高导热复合材料的导热系数，甚至提高材料的其他性能。3D打印热塑性聚氨酯(TPU)/氮化硼(BN)复合材料的制备示意图。通过3D打印技术制备了热塑性聚氨酯/氮化硼纳米片复合材料。
3D打印法能有效控制导热填料的取向结构，甚至可以制备出三维网络结构，是构建导热复合材料三维网络结构的方式之一，由该方法制备的导热复合材料可以在低导热填料填充下获得较大的导热系数。
目前3D打印技术导热复合材料所用打印材料包括聚合物材料、金属材料、陶瓷材料等。以光固化树脂、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)等各种聚合物为基体的导热复合材料可以运用在散热器、热交换器或模具加工的材料(通常在系统之间需要热交换的任何地方)。本文将介绍通过3D打印技术将六方氮化硼(以下简称氮化硼，BN)制备成导热复合材料的案例。
通过3D打印技术制备的不同种类的氮化硼导热复合材料。材料的性能取决于材料的结构，使用3D打印技术制备氮化硼导热复合材料时，影响其导热性能的因素包括氮化硼填料的粒径、填充量以及3D打印设备的各项参数。Li等采用3D打印技术制备了等规聚丙烯/六方氮化硼导热复合材料，他们发现粒径越大的氮化硼在基体中的取向度越高，热导率越大。采用3D打印技术制备了聚酰胺/六方氮化硼导热复合材料，Lee等采用磁场辅助3D打印制备了UV树脂/六方氮化硼导热复合材料，试验结果都表明随着基体中氮化硼填料填充量的增加，导热复合材料的导热性能也在逐步提高。Liu等先将不同含量的BN、Al2O3与液态PDMS混合搅拌2h，然后逐渐加入固化剂和催化剂，搅拌脱气进行3D打印成型。定向良好的BN板构建了有效的导热通道，并与Al2O3颗粒结合形成相互连通良好的导热网络。同时，Al2O3颗粒的存在使BN板的黏度增加，使其定向度进一步增大。填料取向和杂化填料的共同作用对提高材料的导热性能产生了协同效应，有效地降低了热界面电阻。因此，在使用3D打印技术制备氮化硼导热复合材料时，在关注氮化硼填料粒径与填充量的同时，也需要平衡层厚和打印速度这两个参数间的关系。
结果表明，热塑性聚氨酯/氮化硼纳米片复合材料的导热性能主要取决于喷嘴直径/层厚的比值，而对打印速度的依赖性较小。他们认为增大喷嘴直径会减小喷嘴内的绝对力从而减小氮化硼的取向度，而增大打印速度对氮化硼的取向度影响不大。试验发现，对于某一喷嘴，提高打印速度和减小层厚都可以提高氮化硼纳米片的取向度，但打印速度过高容易导致打印缺陷，层厚过低则会导致相邻填料间脱黏，致密性较差。
3D打印法自带的三维网络结构有效地提升了导热复合材料的导热性能，为各种不同种类的导热复合材料提供了新的思路。
相比于其他三维成型方式，3D打印法具备以下优势：
(1)3D打印技术，可以控制导热填料的位置和方向，在低添加量时就可以形成导热通路，凸显出高效导热性及环保性。
(2)冰模板法、自组装法等往往耗时较长，程序复杂，但3D打印法操作步骤较为简单，可以实现较大规模的生产，而且为新的应用开辟了多功能复合材料结构的可能性。打印温度、材料堆叠方式、填料体积含量等工艺参数都会影响复合材料的成型，对复合材料的热管理性能也会产生一定的影响。在未来的研究中一方面要注重导热填料的改性，另一方面可以通过研究3D打印参数以此协同提高复合材料的导热系数。东超新材有多年的导热填料改性经验，可根据您的需求，快速提供定制化功能性粉体解决方案。
审核编辑：汤梓红
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