科研進(jìn)展
蘭州化物所在六方氮化硼基微納復(fù)合材料設(shè)計(jì)與功能化集成研究獲系列進(jìn)展
隨著電子設(shè)備向微型化、高集成化、高功率化和高頻化方向發(fā)展，熱量積聚與電磁波干擾問題日益嚴(yán)重。同時(shí)，由于封裝空間極其受限，系統(tǒng)內(nèi)部往往難以預(yù)留足夠的空間用于獨(dú)立安裝散熱或電磁波防護(hù)組件，這不僅限制了信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，更嚴(yán)重威脅電子設(shè)備的服役壽命。傳統(tǒng)的方法通常是同時(shí)引入兩種填料來實(shí)現(xiàn)雙重功能，但不同功能填料間可能存在阻抗失配或熱傳遞受阻等協(xié)同性問題而存在顯著局限性。因此，開發(fā)兼具高效熱管理、吸波/電磁屏蔽性能的封裝防護(hù)材料具有極其重要的意義。
中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所蘭州潤(rùn)滑材料與技術(shù)創(chuàng)新中心納米潤(rùn)滑課題組于元烈研究員團(tuán)隊(duì)，圍繞六方氮化硼（h-BN）基功能材料的設(shè)計(jì)制備及其導(dǎo)熱、吸波/電磁屏蔽性能調(diào)控開展了系列研究。h-BN與石墨具有相似的結(jié)構(gòu)，具有導(dǎo)熱性能好、電絕緣性能優(yōu)異、化學(xué)性能穩(wěn)定、高溫抗氧化性能強(qiáng)、介電常數(shù)低等特性，是理想導(dǎo)熱防護(hù)材料之一。然而，h-BN材料固有的低介電常數(shù)及寬禁帶特性使其表現(xiàn)為顯著的透波性，難以直接應(yīng)用于電磁波吸收或電磁屏蔽領(lǐng)域。因此，必須通過改性來調(diào)控h-BN材料的吸波/電磁屏蔽性能。研究人員通過合理調(diào)控材料的微觀形貌、界面結(jié)構(gòu)及復(fù)合組分，將絕緣、低介電常數(shù)的h-BN與導(dǎo)電組分或磁性組分耦合以增強(qiáng)其吸波/電磁屏蔽性能；同時(shí)，還能利用其卓越的熱傳輸特性，將吸收的電磁波轉(zhuǎn)換的熱量及電子器件運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量迅速傳導(dǎo)出去，從而實(shí)現(xiàn)高效電磁波防護(hù)與熱管理的雙重功能，為緊湊封裝環(huán)境下的多功能防護(hù)材料的開發(fā)提供技術(shù)支撐。
研究人員通過原位生長(zhǎng)策略，以金屬有機(jī)框架（ZIF-67）衍生出的金屬鈷納米顆粒（Co）為催化劑，在六方氮化硼微米片（BNFs）表面誘導(dǎo)生長(zhǎng)碳納米管(CNTs)，成功構(gòu)建了具有“管-片”橋接結(jié)構(gòu)的異質(zhì)復(fù)合材料（Co@CNT/BNFs）。CNTs的引入有效調(diào)節(jié)了體系的阻抗匹配性能，通過合理調(diào)節(jié)復(fù)合材料的含量實(shí)現(xiàn)了入射電磁波的高效衰減。此外，得益于CNTs與BNFs之間形成的橋接結(jié)構(gòu)，該復(fù)合材料能夠降低接觸界面熱阻，進(jìn)而顯著增強(qiáng)聚合物基體的導(dǎo)熱性能。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Carbon (2024,227,119242)上 。
圖1.(a) Co@CNT/BNF復(fù)合材料制備示意圖;(b) 吸波性能和(c) 導(dǎo)熱性能。
研究人員還通過高溫自催化生長(zhǎng)工藝，在碳纖維(CFs)表面構(gòu)建了仿球菊狀氮化硼微米球（PC-BNSs），制備出一種具有多尺度分級(jí)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。該結(jié)構(gòu)集成了PC-BNSs、CFs與磁性Co納米顆粒（PC-BNS/CF@Co），利用多尺度協(xié)同效應(yīng)、多重散射及磁-電耦合機(jī)制，大幅提升了復(fù)合材料對(duì)電磁波的衰減能力。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該P(yáng)C-BNS/CF@Co復(fù)合材料在極低填充下即可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)吸波與寬頻吸收。此外，復(fù)合薄膜還兼具優(yōu)異的以吸收為主導(dǎo)的電磁屏蔽性能（55 dB）和顯著的光熱轉(zhuǎn)換能力，在智能電磁防護(hù)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Chemical Engineering Journal (2025,510,161436)上。
圖2. PC-BNS/CF@Co多功能復(fù)合材料制備與性能評(píng)價(jià)。
近期，針對(duì)傳統(tǒng)h-BN改性方法工藝復(fù)雜和環(huán)境負(fù)荷大的問題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種簡(jiǎn)易且可擴(kuò)展的機(jī)械力誘導(dǎo)活化改性策略，調(diào)控h-BN的導(dǎo)熱和吸波性能。該研究利用液態(tài)金屬（LM）的流動(dòng)性及其高導(dǎo)電特性，通過機(jī)械過程讓LM與BNFs充分接觸并發(fā)生反應(yīng)，從而活化BNFs表面，引入豐富的界面極化中心和缺陷位點(diǎn)（BNF@LM）。優(yōu)化后的BNF@LM復(fù)合材料在維持高效吸波性能的同時(shí)，能夠與芳綸納米纖維復(fù)合制成柔性復(fù)合薄膜，展現(xiàn)出優(yōu)異的熱管理及良好的阻燃性能，確保了材料在極端環(huán)境下運(yùn)行的可靠性。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Journal of Advanced Ceramics (2025,14,9221208) 上。
圖3. BNF@LM復(fù)合材料制備與性能評(píng)價(jià)。
以上研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、航空科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
