氮化硼納米管/聚合物納米復(fù)合材料導(dǎo)熱性能研究進(jìn)展*

劉 鑫，閻 峻，黃子芮，蘆 艾，章日超

(1. 華東交通大學(xué) 材料學(xué)院，南昌 310013； 2. 中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621000)

0 引 言

隨著電子信息科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和進(jìn)步，小型化、集成化電子設(shè)備和元器件的輸出功率越來越大，由此產(chǎn)生的熱量也越來越大，從而影響設(shè)備的工作效率和使用壽命，有時(shí)甚至?xí)＜吧踩玔1]。因此，需要高導(dǎo)熱材料將器件內(nèi)部所產(chǎn)生的熱量傳遞到儀器殼體，最終傳遞到外部空間，保證器件中各個(gè)關(guān)鍵部件在正常的溫度下工作，尤其在航空航天領(lǐng)域中的載人航天器，可以保證航天員在舒適的環(huán)境中進(jìn)行太空探索，同時(shí)也可以高效、經(jīng)濟(jì)地利用熱量[2-5]，具有重要的科學(xué)研究意義及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

聚合物具有電絕緣性好、柔性佳、密度低、耐腐蝕、價(jià)格低廉且可加工性能好等優(yōu)點(diǎn)[6]，廣泛用于現(xiàn)代高新技術(shù)領(lǐng)域，然而，由于聚合物自身的導(dǎo)熱性能不佳，其導(dǎo)熱率在0.1 W/(m·K)左右，無法滿足工業(yè)用高導(dǎo)熱材料的要求[7-10]。因此，常在聚合物基體中引入大量高導(dǎo)熱的粒子填料，賦予其導(dǎo)熱性能，制備電絕緣高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料，包括碳基填料[11-13]、金屬填料[14-16]及陶瓷填料[17-19]，形成復(fù)合材料。其中金屬填料和碳基填料具有導(dǎo)電性，有一定的局限性；而陶瓷填料因自身具備優(yōu)越的電絕緣性與導(dǎo)熱性而備受青睞。氮化硼(BN)作為一種重要的陶瓷材料，具有優(yōu)異的電絕緣性和導(dǎo)熱性能，其中氮化硼納米管具有極高導(dǎo)熱率(600 W/(m·K))，廣泛用于制備電絕緣導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料。

本文論述了氮化硼納米管/聚合物納米復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的研究現(xiàn)狀，包括氮化硼納米管的結(jié)構(gòu)與形態(tài)、制備方法、基體中的取向方式、導(dǎo)熱性能等相關(guān)進(jìn)展，可望為填料型導(dǎo)熱聚合物納米復(fù)合材料的研究提供思路借鑒與技術(shù)參考。

1 BNNT

1.1 BNNT的結(jié)構(gòu)與形態(tài)

氮化硼納米管(BNNT)是直徑處于納米級(jí)別的中空纖維狀結(jié)構(gòu)，可分為單壁納米管(SWBNNT)與多壁納米管(MWBNNT)兩種結(jié)構(gòu)。其中SWBNNT是由單層h-BN沿一個(gè)方向卷曲而形成管狀，根據(jù)B-N鍵的幾何排列方式，可把BNNT分為zigzag(0°)、armchair(30°)及helical(0°～30°)等3種構(gòu)象，如圖1所示[20]；MWBNNT是由多層h-BN卷曲而成，如圖2所示[21]。由于中B-N共價(jià)鍵具有部分離子性(長(zhǎng)度是0.144 nm)，導(dǎo)致了相鄰BN層之間相互作用力較大，使B和N原子沿著某一方向不斷疊加，優(yōu)先形成雙層或多層管狀結(jié)構(gòu)，從而提高了整體的穩(wěn)定性，這種特殊的B-N堆積特點(diǎn)，使得BN很難形成單壁結(jié)構(gòu)，多以多壁結(jié)構(gòu)為主。

圖1 單壁BNNT的構(gòu)造及構(gòu)象 [20]Fig.1 Structure and conformation of single-walled BNNT [20]

圖2 多壁BNNT的結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structure of a multi-walled BNNT

1.2 BNNT的制備

作為一個(gè)經(jīng)典的一維納米管材料，BNNT制備過程主要基于傳統(tǒng)的氣液固生長(zhǎng)機(jī)理，即在高溫條件下，催化劑開始液化或呈部分熔融狀態(tài)，與反應(yīng)腔中的原料前驅(qū)體蒸汽形成低共熔體。在反應(yīng)過程中，BN不斷堆積直到飽和狀態(tài)，最終形成BNNT而析出。在BNNT的制備過程中，硼前驅(qū)體的類型、催化劑、溫度、加熱方式和時(shí)間等條件是決定BNNT尺寸的關(guān)鍵控制因素。目前，對(duì)BNNP的制備過程，主要包括電弧放電[22-23]，取代反應(yīng)[24-26]，化學(xué)氣相沉積(CVD)[27-31]，球磨[32-35]，激光燒蝕[36-37 ]等。

1.2.1 電弧放電法

電弧放電法是Chopra等[22]于1995年首先提出用于制備BNNTs。此方法主要過程是將BN填充到空心的鎢棒中，構(gòu)成復(fù)合陽極，經(jīng)過淬火后的銅板作為陰極，在陰陽兩極之間進(jìn)行放電，BN蒸汽沉積在銅板上形成BNNT。通過次方法，Chopra等獲得了內(nèi)孔直徑約為1～3 nm、長(zhǎng)度約為200 nm的BNNTs。后來，Narita等[23]采用導(dǎo)電的YB6做硼源，在氮?dú)夂蜌鍤饣旌蠚怏w的條件下利用電弧放電制備出長(zhǎng)達(dá)4～6 μm、管徑尺寸為4～10 nm的MWBNNT。但是，此制備方法對(duì)硼源和設(shè)備都有一定的要求，往往需要導(dǎo)電的硼化物或是制作硼的導(dǎo)電電極，因此BNNTs的產(chǎn)率較低。

1.2.2 取代反應(yīng)法

取代反應(yīng)法是基于BNNT與碳納米管(CNT)相似的結(jié)構(gòu)，在溫度為1 500 ℃的氮?dú)鈿夥障?，通過取代反應(yīng)使硼原子取代CNT中的碳原子獲得BNNT。其反應(yīng)過程如下式：

B2O3+3C(nanotubes)+N2→2BN(nanotubes)+3CO[24]

如Han等[25]通過此方法獲得了尺寸與被取代CNT尺寸相近的BNNT。隨后，他們利用NH3替換N2研究B2O3在1 260 ℃溫度下與碳氮納米管(CNxNTs)或碳納米管(CNTs)反應(yīng)過程，大大的提高BNNT的反應(yīng)產(chǎn)率。此外，Borowiak-Palen等[26]則通過此方法成功的制備了MWBNNTs。盡管，取代反應(yīng)法可以大大的提高BNNT的產(chǎn)率，但由于CNT中的碳原子不能完全被氮原子取代，因此所獲得的BNNT純度不高。

1.2.3 化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法(CVD)是目前使用最廣泛的納米管制備技術(shù)，由于其產(chǎn)率高且操作簡(jiǎn)便，是制備CNT和BNNT主要方法之一。至今已有大量的文獻(xiàn)報(bào)道了通過CVD法來制備BNNT。如Lourie等[27]用(NH4)2SO4和NaBH4進(jìn)行反應(yīng)，得到基硼嗪(B3N3H6)，再通過反應(yīng)合成BNNTs。此研究還證明了NiB和Ni2B是獲得最高BNNT產(chǎn)率、最有效的前體。Ma等[28]表明BNNTs可以在沒有任何金屬催化劑的情況下使用三聚氰胺二硼酸鹽(C3N6H6·2H3BO3)合成。

近來，對(duì) CVD法進(jìn)行改進(jìn)，使用硼和金屬氧化物進(jìn)行BNNTs合成，即所謂的BOCVD法。此方法可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高效率地生產(chǎn)BNNTs[29]。如Marianithya等[30]使用B/V2O5/Fe2O3和B/V2O5/Ni2O3的混合物作為前驅(qū)體來批量制備BNNT，通過此方法可以控制BNNTs的尺寸，實(shí)現(xiàn)不同BN納米尺度的制備。此外，Matveev等[31]對(duì)氧化硼化學(xué)氣相沉積法進(jìn)行改進(jìn)，將硼、氧化亞鐵和氧化鎂的混合物加熱至1 150 ℃，生成的氣態(tài)氧化硼在氨氣氣流影響下，向放置有塊體材料氮化硼棒狀物的反應(yīng)腔內(nèi)流動(dòng)，氮化硼棒狀物表面沉積有硝酸鋰，在1 280～1 320 ℃下制備出高純度的多壁BNNTs，管徑尺寸為30～50 nm，如圖3所示。

圖3 生產(chǎn)BNNT的過程及裝置。BNNT形貌的SEM圖(右上)Fig.3 Process and device for the production of BNNT. Scanning electron micrograph of the BNNT topography (top right)

1.2.4 球磨法

球磨法主要通過增加反應(yīng)物的表面積，使催化劑、硼和氮前驅(qū)物盡可能接觸，在球磨過程中，使反應(yīng)原料結(jié)構(gòu)微納米化，增加反應(yīng)物的活性，球磨后再對(duì)粉體材料進(jìn)行高溫退火，使原料的反應(yīng)活性增加，使其在相對(duì)較低的溫度下發(fā)生氮化反應(yīng)生成BNNTs。如2003年，Bea 等[34]將硼粉和六方氮化硼進(jìn)行混合球磨20 h，獲得顆粒粒徑近100～200 nm的無定形粉體材料，球磨后的材料承載于沉積有催化劑鐵的氧化鋁基片上，在氨氣氣氛及1 000～1 200 ℃的高溫下進(jìn)行退火處理，獲得呈竹節(jié)狀結(jié)構(gòu)和圓柱形結(jié)構(gòu)的BNNTs。2013年，Li等[35]報(bào)道了非晶硼在NH3氣氛(300 kPa)下球磨150 h，將研磨的硼和Fe(NO3)3在乙醇中超聲處理30分鐘，然后在85%N2和15%H2混合氣體下進(jìn)行退火處理，最后合成了竹節(jié)狀、直徑約為40～80 nm的BNNTs。

1.2.5 激光燒蝕法

激光燒蝕是利用具有高能量的激光束轟擊靶材，使制備BNNTs的原料在短時(shí)間里迅速加熱熔化，通過蒸發(fā)后經(jīng)冷卻結(jié)晶得到BNNTs。如Golberg等[36]首次成功利用激光燒蝕法制備出外壁直徑在3～15 nm的MWBNNTs。Smith等[37]不用任何催化劑，利用激光加熱靶材激發(fā)出氣態(tài)硼，與含氮?dú)庠诶淠髦蟹磻?yīng)成核，得到結(jié)晶度高、管徑小的BNNTs，并且產(chǎn)率也相當(dāng)高。

1.2.6 BNNT陣列的制備

納米管陣列是指納米管沿著管軸方向彼此相互平行，高度密集地生長(zhǎng)并聚集在一起呈現(xiàn)出生長(zhǎng)取向基本一致的納米管陣列形態(tài)。Bechelany等[38]將聚合物熱解和模板法結(jié)合在一起，制備出高密度、取向高度一致的BNNTs陣列。該方法包括四個(gè)步驟，即液相聚合硼嗪的合成，氧化鋁膜的液相滲透，聚合物在氮?dú)鈿夥铡? 200 ℃條件下熱分解，以及模板蝕刻。Lee等[39]首次通過催化CVD合成了模型化的BNNTs(如圖4)，為了制造純度高和垂直取向的BNNTs，在Si襯底上涂覆30nm厚的氧化鋁薄膜，然后再濺射一層氧化鎂、鎳或鐵的薄膜，再將該基底放入一端封閉的石英管中，在氨氣氣氛和1 100～1 200 ℃條件下制備高產(chǎn)率的BNNTs。

圖4 Si襯底上的多壁BNNT圖案化生長(zhǎng)(添加了人造色素)Fig.4 Well-defined patterned growth of multiwalled BNNTs on Si substrates (artificial colors are added)

2016年，Belkerk[40]首次報(bào)道了用催化化學(xué)氣相沉積法(CCVD)制備了垂直取向氮化硼納米管。他們利用沉積在熔融石英上的鉑(Pt)薄膜作為襯底和懸浮于異丙醇中的MgO粉末作為催化劑，將約懸浮液滴加到基底上以覆蓋Pt薄膜，然后將催化基質(zhì)置于載有前體粉末(B∶MgO∶FeO摩爾比為4∶1∶1)的氧化鋁燃燒舟上，再把該裝置裝入封閉的石英管內(nèi)，并將整個(gè)裝置置于水平管爐中，催化涂層朝上，然后在氨氣氣氛和1 200 ℃條件下，并保持一定生長(zhǎng)時(shí)間，最后獲得了具有低缺陷，高結(jié)構(gòu)有序性的高質(zhì)量BNNTs。Tay[41]提出了一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的兩步合成路線，即模板法輔助化學(xué)氣相沉積，在900 ℃下退火，最終獲得了垂直取向的BNNTs陣列，管長(zhǎng)超過了毫米級(jí)別。

目前，BNNTs陣列的制備多以氧化鋁為基輔助其他制備方法，需要多步沉積濺射，生長(zhǎng)結(jié)束后往往需要腐蝕掉多孔基板，再對(duì)BNNTs進(jìn)行表征分析。實(shí)驗(yàn)方法復(fù)雜，操作步驟繁瑣，最后得到的產(chǎn)品的產(chǎn)量也不如人意。因此，未來的發(fā)展方向是探索出一套既簡(jiǎn)單又高效的BNNTs陣列的制備方法，從而推動(dòng)BNNTs在聚合物基體中的優(yōu)異性能的充分發(fā)揮。

1.3 BNNT的導(dǎo)熱機(jī)理

與CNT相似，BNNT具有相當(dāng)高的導(dǎo)熱率，其導(dǎo)熱率可以達(dá)到350 W/(m·K)[42]。實(shí)際上，由于對(duì)納米尺度導(dǎo)熱性能的測(cè)試比較困難，無法確定單個(gè)納米管實(shí)際導(dǎo)熱率，然而可以通過理論模擬和間接實(shí)驗(yàn)計(jì)算等方法可以獲得單根BNNT的導(dǎo)熱率值，據(jù)報(bào)道其理論導(dǎo)熱率可達(dá)6 000 W/(m·K)或者更高[43]。

由于BNNT不導(dǎo)電，其熱能運(yùn)輸主要以聲子振動(dòng)模式傳導(dǎo)熱量[44]。在納米管中，聲子活躍數(shù)、界面散射、自由程和倒逆散射過程等都會(huì)對(duì)其輸運(yùn)產(chǎn)生重要的影響。同時(shí)，BNNT原子結(jié)構(gòu)、管的長(zhǎng)徑比、結(jié)構(gòu)缺陷的數(shù)量和形態(tài)以及純度等卻決定了聲子的傳播速度和自由程。實(shí)際上，在BNNT生長(zhǎng)過程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)缺陷，這必然會(huì)降低聲子的輸運(yùn)速度，減少其輸運(yùn)自由程，從而對(duì)BNNT的導(dǎo)熱性能產(chǎn)生巨大的影響。一般來說，完美的納米管由六邊形構(gòu)成的圓柱形，其在尖端處具有最小缺陷，可以形成封閉的無縫結(jié)構(gòu)。但是，在納米管生長(zhǎng)過程中往往會(huì)形成拓?fù)淙毕荩绶橇切位蚺c空位。例如，BNNT尖端處形成的四元環(huán)(B2N2正方形)代替了原來的五元環(huán)，會(huì)導(dǎo)致拐角變?yōu)橹苯?，不利于聲子傳輸。此外，BNNT具有較大的縱橫比和表面積以及較長(zhǎng)的聲子平均自由程，這些因素都影響聲子的輸運(yùn)過程。另外，管壁的數(shù)量也會(huì)影響聲子的輸運(yùn)過程，對(duì)于SWBNNT而言，其導(dǎo)熱性能明顯高于MWBNNT[45]，主要是因?yàn)闊醾鬏斨饕ㄟ^最外層壁進(jìn)行和由于內(nèi)管壁的倒逆散射過程的發(fā)生，壁與壁之間的間隙導(dǎo)致了熱阻的形成，從而不利于聲子的連續(xù)輸運(yùn)。理論計(jì)算研究表明，SWBNNT具有更多的聲子振動(dòng)，具有相對(duì)較低的缺陷密度，更有利于聲子的連續(xù)輸運(yùn)，從而具有更高的熱導(dǎo)率。

2 BNNT/聚合物復(fù)合材料

BNNTs自20世紀(jì)90年代末問世以來，引起了廣泛的關(guān)注。然而，由于BNNTs制備工藝不成熟，導(dǎo)致低產(chǎn)率、低純度、結(jié)晶度不佳、無法有效控制納米管的形貌以及結(jié)構(gòu)等問題限制了其快速發(fā)展。目前，BNNTs主要用作聚合物的導(dǎo)熱填料來制備導(dǎo)熱聚合物納米復(fù)合材料。如2006年，Zhi等[46]采用BOCVD法合成的BNNTs用溶液法制備/BNNT/聚苯乙烯(PS)復(fù)合材料。隨后，Golberg等[20]報(bào)道了10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的BNNT/聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)復(fù)合材料的導(dǎo)熱率是純PMMA的3倍。2010年，Terao[47]通過靜電紡絲技術(shù)制備了BNNT/聚乙烯醇(PVA)復(fù)合纖維(<5%(體積分?jǐn)?shù))BNNTs)，通過外應(yīng)力誘導(dǎo)BNNTs在纖維軸方向取向，然后將幾個(gè)聚合物納米復(fù)合纖維層，以不同方式堆疊(平行或交替地旋轉(zhuǎn)90°)，并經(jīng)過熱壓后得到一個(gè)多層膜，如圖5所示[47]，然后對(duì)該熱壓膜的導(dǎo)熱性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其導(dǎo)熱率有了較明顯的提高。

Zhang等[48]將BNNTs/ PVA水溶液涂布在培養(yǎng)皿上，待水分蒸發(fā)后，獲得了BNNT在PVA薄膜中隨機(jī)分散的納米復(fù)合材料。然后研究了BNNTs在基體中的排列方式對(duì)復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能的影響，如表1所示[47]。發(fā)現(xiàn)BNNT形成90°交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)后，無論X方向還是Y方向的導(dǎo)熱性都有一定提升；BNNT在單一方向上取向的復(fù)合膜，Y方向的導(dǎo)熱性是隨機(jī)分散情況的兩倍多；再將交替堆疊的復(fù)合膜與具有沿一個(gè)方向排列的BNNT的復(fù)合膜進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)前者X方向上的導(dǎo)熱率越高，可能是由于導(dǎo)熱路徑更多，后者在Y方向上的導(dǎo)熱率約是前者的2倍。由此表面，BNNTs相互接觸和單一取向都能改善復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。

圖5 BNNT在PVA中取向的制備過程Fig.5 Preparation of BNNT in PVA orientation

表1 不同BNNTs排列方式的聚合物復(fù)合膜導(dǎo)熱率Table 1 Thermal conductivityof polymer composite films with different BNNTs arrangements

Bechelany等[38]使用納米級(jí)模板通道從液態(tài)聚合硼雜環(huán)嗪合成高度有序的BNNT陣列，如圖6所示，雖然雖然他們最終沒有制備聚合物納米復(fù)合材料，但是該制備方法簡(jiǎn)單且低成本，且可原位合成制備聚合物納米復(fù)合材料。例如，將聚合物和無機(jī)材料結(jié)合使用，使無機(jī)材料熱解，形成具有取向的BNNTs/聚合物復(fù)合材料。另外，通過改變所用模板膜的厚度和納米通道直徑，可以任意控制聚合物中納米管的長(zhǎng)度和直徑。

圖6 BNNTs陳列形貌的SEM圖Fig.6 SEM image of BNNTs topography

Zeng等[49]利用溶液混合法制備了BNNTs/纖維素納米纖維復(fù)合材料，他們發(fā)現(xiàn)25%含量的BNNTs就可使該復(fù)合材料的導(dǎo)熱率達(dá)到了21.39 W/(m·K)，他們認(rèn)為這是因?yàn)樵诶w維素納米纖維與BNNTs之間形成了強(qiáng)烈的界面相互作用，降低了界面熱阻效應(yīng)，促使熱流在復(fù)合材料內(nèi)部連續(xù)輸運(yùn)引起的。

Wang等[50]以Li3N為促進(jìn)劑合成了BNNTs，并與熱塑性聚氨酯(TPU)復(fù)合制備納米復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))BNNT的含量就可以使該復(fù)合薄膜的面內(nèi)導(dǎo)熱率達(dá)到了14.5 W/(m·K)，比純TPU的導(dǎo)熱率增加了400%。

Fu等[51]制備了BNNTs/纖維素納米纖維復(fù)合材料，以銀納米粒子BNNTs，從而降低了BNNTs之間的界面熱阻，通過該方法制備的納米復(fù)合材料，其導(dǎo)熱率達(dá)到了20.9 W/(m·K)。

Pietri等[52]研究了BNNT/PCL納米復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，發(fā)現(xiàn)30%BNNTs的含量可以使PCL的導(dǎo)熱率提高了4倍，但是高含量BNNTs的添加卻改變了其流變性能。

至今，盡管有不少文獻(xiàn)報(bào)道了BNNTs/聚合物納米復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，但是基于BNNTs制備工藝問題及其在聚合物中易團(tuán)聚、分散不均勻，并且與基體形成界面熱阻和接觸熱阻等問題，使得該納米復(fù)合材料的發(fā)展收到極大的應(yīng)用限制。為了充分開發(fā)BNNTs/聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，需要控制BNNTs和聚合物之間的界面結(jié)構(gòu)問題，進(jìn)而闡明其導(dǎo)熱機(jī)理是未來所要面對(duì)的一個(gè)主要研究方向之一。

3 BNNT/聚合物復(fù)合材料導(dǎo)熱機(jī)理

在聚合物復(fù)合材料中，熱導(dǎo)率不僅與聚合物基的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，而且還與BNNT的導(dǎo)熱系數(shù)、管徑、相對(duì)含量、分散度及取向方式等諸多因素有關(guān)。一般而言，BNNT本身導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)優(yōu)于聚合物材料，無論以何種形式加工或多少相對(duì)含量添加 聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能都會(huì)較純聚合物基體的高。當(dāng)BNNT用量較少時(shí)，大部分填料被聚合物基體包裹，彼此之間不能形成真正的相互接觸和作用，對(duì)聚合物復(fù)合材料導(dǎo)熱性貢獻(xiàn)不大。此時(shí)體系相當(dāng)于“串聯(lián)電路”，導(dǎo)熱系數(shù)由較低的聚合物基體決定，導(dǎo)致聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)也較低。當(dāng)BNNT之間達(dá)到真正意義上的接觸和相互作用時(shí)，體系中才能形成類似鏈狀或網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，即類似“并聯(lián)電路”，大部分熱流通過導(dǎo)熱系數(shù)較高的BNNT，所以聚合物復(fù)合材料熱導(dǎo)率會(huì)顯著提高[53]。值得注意的是，若BNNT在聚合物基體中取向，即像在基體內(nèi)形成了多條導(dǎo)熱鏈，管與管之間通過首尾相接(如圖7)[53]，聲子熱傳輸具有弱散射作用，使BNNT/聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能得到很大程度的改善。

圖7 各種形態(tài)的BNNT的熱流通道示意圖。粗灰線表示熱流Fig.7 Various forms of BNNT heat flow path diagram. The thick gray line indicates heat flow

4 結(jié) 語

BNNT所具有的優(yōu)異導(dǎo)熱性和絕緣性使其成為高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料最佳的導(dǎo)熱填料之一。但由于BNNT自身的制備方法和填充聚合物基體的加工方式的限制，導(dǎo)致BNNT/聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能得不到很好提高。目前，在BNNT/聚合物復(fù)合材料制備過程中，BNNT顯示出分布不均勻、易團(tuán)聚以及各向異性等不利因素，體現(xiàn)在研究人員已經(jīng)可以制備出具有高取向的BNNT陣列，但是常規(guī)共混法制備的復(fù)合材料，又使BNNT雜亂分布，往往無法充分利用其高導(dǎo)熱性。

相對(duì)于BNNT在聚合物基中的取向研究，CNT和BNNS比BNNT被報(bào)道得更多。可以推測(cè)，CNT和BNNT在聚合物中取向的方法，或許對(duì)BNNT是可行的甚至可以創(chuàng)造出更有效的制備方法。因此，制備管長(zhǎng)更長(zhǎng)的、結(jié)構(gòu)完整的BNNT以及選用剛性主鏈的聚合物，例如聚乙烯，聚丙烯等，以此提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱率是未來制備高導(dǎo)熱聚合物納米復(fù)合材料的主要方向之一。另外，從加工方法上也可以進(jìn)行改進(jìn)，如多級(jí)拉伸取向[49]。雖然取向的BNNT具有更加優(yōu)異的性質(zhì)，但是目前仍然停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。此外，具有垂直取向的BNNT離規(guī)模應(yīng)用還有很長(zhǎng)的一段路要走。在未來BNNTs/聚合物復(fù)合材料的研究重點(diǎn)可能更偏向于高效、簡(jiǎn)單、綠色的制備方法，使BNNT在聚合物中取向變?yōu)榭煽兀∠蚝笙鄬?duì)含量可以減少，把導(dǎo)熱性能發(fā)揮極致。然而，要獲得足以滿足大多數(shù)市場(chǎng)應(yīng)用要求的導(dǎo)熱復(fù)合材料仍然需要重大的技術(shù)突破。