氮化硼是氮化物中最受人重視的材料之一，它有六種晶型，最常見的有立方氮化硼(c-BN)及六方氮化硼(h-BN)，其中c-BN和金剛石類似，主要用于制作切割工具，熱導率雖強但成本較高；h-BN是有類似石墨的層狀結構和晶格參數的白色粉末，也被稱為白石墨。雖然導熱系數低于氮化鋁，但由于不會水解，以及密度只有2.2g/cm3，而且在漿料中不易沉降，因此作為導熱填料有獨到優勢。

除此之外，h-BN絕緣電壓為30~40kv/mm，即使在1000℃的空氣下使用也能保有很高的絕緣特性，且耐擊穿電壓為3 kv/mm（是氧化鋁兩倍），故常用來搭配氧化鋁、氮化鋁、或氮化硅等添加在樹脂中，制成絕緣導熱用復合材料。

六方氮化硼粉的良好性能及散熱優勢

不過要發揮h-BN性能，主要有以下2個方面都需要注意：

1.純度

首先是純度，h-BN顆粒的各方面性能受純度影響較大，因此制備高純度的h-BN顆粒是保證其廣泛應用的前提，尤其要注意的是游離硼的含量——h-BN粉常會有不安定的含硼化物殘留，含硼化物是以氫鍵與h-BN粉鍵結，因氫鍵容易被破壞，使硼離子游離并與水分子的氫氧根離子結合成H3BO3(硼酸），造成產品污染。因此游離硼的含量越低越好，越低的游離硼意味h-BN粉越穩定。目前直接影響純度的因素有燒制條件以及產品后處理等。

2.形貌

其次，由于填料的形狀與長徑比都會影響復合材料導熱性能（常見的有纖維狀、片狀、球狀等），因此導熱填料形貌的抉擇也很關鍵。當前使用的h-BN填料多為球形和片狀，其中球形填料可以帶來更高的填充量，理論上填充率越高材料整體的導熱性能越好，因此h-BN球形填料是橡膠塑料復合材料的熱門候選導熱填料；與此同時，片狀填料也有自己的優勢，它具有高比表面積，因此有利于構成聲子導熱通道，提升體系熱導率，同樣也是導熱領域的大熱門選擇。

六方氮化硼粉的良好性能及散熱優勢

片狀hBN和球形hBN粉體

那到底是球形好還是片狀好呢？即使選擇困難癥也沒關系，因為兩者完全可以一起用。單獨使用片狀h-BN時，由于其形狀不規則，垂直晶面方向的熱導率會遠小于平行晶面方向熱導率，導致氮化硼高度填充到聚合物中時部分片晶取向垂直于理想熱導方向，而且填充率也較低，不能充分利用h-BN的導熱性能。

單獨使用球型h-BN雖能帶來更高的填充量，但也并非是添加量越大復合材料導熱能力就越優秀。根據相關研究表明，球形氮化硼作為填充料，其填充量對硅樹脂導熱性和熱阻的影響。隨著氮化硼的添加，硅樹脂先達到一個導熱峰值，此時填充量最佳，隨著填充量逐漸添加，復合材料的熱阻加大，硅樹脂的導熱能力又有所下降。

但即便是最佳的填充量，h-BN球形顆粒在基體中呈現的依舊是“孤島狀”分布（如下圖左），顆粒與顆粒之間存在許多影響導熱效果的空隙。但如果能加入適量充當“橋梁”的h-BN片狀填料，就能填充到球形氮化硼之間的空隙中，連接相鄰的BN顆粒，為BN提供更多的接觸點，形成導熱網絡，進一步提升導熱效果（下圖右）。

六方氮化硼粉的良好性能及散熱優勢六方氮化硼粉的良好性能及散熱優勢

圖片來源：Saint-Gobain

 

總結

綜上所述，h-BN由于其良好的導熱性能與絕緣性能，是聚合物基導熱復合材料的理想填料之一。目前看來，h-BN片層剝離、球形顆粒的制備以及在基體中的取向排列情況，均對復合材料導熱性能起決定性作用。除此之外，BN顆粒表面處理工藝研究也是非常重要的，千萬不可以忽視噢。