在導(dǎo)熱填料中，氮化硼因其化學(xué)穩(wěn)定性、絕緣性、高導(dǎo)熱性和高彈性模量等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種非常有前景的絕緣導(dǎo)熱填料。同時(shí)，它表現(xiàn)出了顯著的各向異性導(dǎo)熱性能，其中面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)[300~600W/(m·K)]遠(yuǎn)高于面外[30W/(m·K)]，因此，在制備氮化硼高分子導(dǎo)熱復(fù)合材料時(shí)，需要對(duì)氮化硼填料進(jìn)行校準(zhǔn)，最大限度地減小傳熱方向上的熱阻，從而獲得更高的導(dǎo)熱系數(shù)。3D打印技術(shù)可以有效實(shí)現(xiàn)氮化硼填料的有序?qū)R，顯著提高導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，甚至提高材料的其他性能。3D打印熱塑性聚氨酯(TPU)/氮化硼(BN)復(fù)合材料的制備示意圖。通過3D打印技術(shù)制備了熱塑性聚氨酯/氮化硼納米片復(fù)合材料。

3D打印法能有效控制導(dǎo)熱填料的取向結(jié)構(gòu)，甚至可以制備出三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是構(gòu)建導(dǎo)熱復(fù)合材料三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的方式之一，由該方法制備的導(dǎo)熱復(fù)合材料可以在低導(dǎo)熱填料填充下獲得較大的導(dǎo)熱系數(shù)。

目前3D打印技術(shù)導(dǎo)熱復(fù)合材料所用打印材料包括聚合物材料、金屬材料、陶瓷材料等。以光固化樹脂、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)等各種聚合物為基體的導(dǎo)熱復(fù)合材料可以運(yùn)用在散熱器、熱交換器或模具加工的材料(通常在系統(tǒng)之間需要熱交換的任何地方)。本文將介紹通過3D打印技術(shù)將六方氮化硼(以下簡(jiǎn)稱氮化硼，BN)制備成導(dǎo)熱復(fù)合材料的案例。

通過3D打印技術(shù)制備的不同種類的氮化硼導(dǎo)熱復(fù)合材料。材料的性能取決于材料的結(jié)構(gòu)，使用3D打印技術(shù)制備氮化硼導(dǎo)熱復(fù)合材料時(shí)，影響其導(dǎo)熱性能的因素包括氮化硼填料的粒徑、填充量以及3D打印設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)。Li等采用3D打印技術(shù)制備了等規(guī)聚丙烯/六方氮化硼導(dǎo)熱復(fù)合材料，他們發(fā)現(xiàn)粒徑越大的氮化硼在基體中的取向度越高，熱導(dǎo)率越大。采用3D打印技術(shù)制備了聚酰胺/六方氮化硼導(dǎo)熱復(fù)合材料，Lee等采用磁場(chǎng)輔助3D打印制備了UV樹脂/六方氮化硼導(dǎo)熱復(fù)合材料，試驗(yàn)結(jié)果都表明隨著基體中氮化硼填料填充量的增加，導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能也在逐步提高。Liu等先將不同含量的BN、Al2O3與液態(tài)PDMS混合攪拌2h，然后逐漸加入固化劑和催化劑，攪拌脫氣進(jìn)行3D打印成型。定向良好的BN板構(gòu)建了有效的導(dǎo)熱通道，并與Al2O3顆粒結(jié)合形成相互連通良好的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，Al2O3顆粒的存在使BN板的黏度增加，使其定向度進(jìn)一步增大。填料取向和雜化填料的共同作用對(duì)提高材料的導(dǎo)熱性能產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng)，有效地降低了熱界面電阻。因此，在使用3D打印技術(shù)制備氮化硼導(dǎo)熱復(fù)合材料時(shí)，在關(guān)注氮化硼填料粒徑與填充量的同時(shí)，也需要平衡層厚和打印速度這兩個(gè)參數(shù)間的關(guān)系。

結(jié)果表明，熱塑性聚氨酯/氮化硼納米片復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能主要取決于噴嘴直徑/層厚的比值，而對(duì)打印速度的依賴性較小。他們認(rèn)為增大噴嘴直徑會(huì)減小噴嘴內(nèi)的絕對(duì)力從而減小氮化硼的取向度，而增大打印速度對(duì)氮化硼的取向度影響不大。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于某一噴嘴，提高打印速度和減小層厚都可以提高氮化硼納米片的取向度，但打印速度過高容易導(dǎo)致打印缺陷，層厚過低則會(huì)導(dǎo)致相鄰填料間脫黏，致密性較差。

3D打印法自帶的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有效地提升了導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，為各種不同種類的導(dǎo)熱復(fù)合材料提供了新的思路。

相比于其他三維成型方式，3D打印法具備以下優(yōu)勢(shì)：

(1)3D打印技術(shù)，可以控制導(dǎo)熱填料的位置和方向，在低添加量時(shí)就可以形成導(dǎo)熱通路，凸顯出高效導(dǎo)熱性及環(huán)保性。

(2)冰模板法、自組裝法等往往耗時(shí)較長(zhǎng)，程序復(fù)雜，但3D打印法操作步驟較為簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的生產(chǎn)，而且為新的應(yīng)用開辟了多功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的可能性。打印溫度、材料堆疊方式、填料體積含量等工藝參數(shù)都會(huì)影響復(fù)合材料的成型，對(duì)復(fù)合材料的熱管理性能也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。在未來的研究中一方面要注重導(dǎo)熱填料的改性，另一方面可以通過研究3D打印參數(shù)以此協(xié)同提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。東超新材有多年的導(dǎo)熱填料改性經(jīng)驗(yàn)，可根據(jù)您的需求，快速提供定制化功能性粉體解決方案。

審核編輯：湯梓紅