Em campos de alta-tecnologia, como dispositivos eletrônicos, novos veículos de energia e iluminação LED, materiais eficientes de dissipação de calor são essenciais. Os polímeros tradicionais geralmente apresentam baixa condutividade térmica, não atendendo aos requisitos de dissipação de calor de dispositivos-de alta potência. Para resolver isso, os pesquisadores incorporam cargas de alta condutividade-térmica-em polímeros. O nitreto de boro (BN) tem atraído muita atenção devido à sua excelente condutividade térmica, isolamento elétrico e estabilidade química. No entanto, o uso exclusivo de cargas BN muitas vezes dificulta a formação de vias de condução térmica contínuas e eficientes. Portanto, por meio de projeto e regulamentação deliberados, partindo de dois aspectos – "sinergia de enchimento multi-dimensional" e "construção de rede-tridimensional" - uma rede de condução térmica eficaz pode ser construída com cargas de enchimento relativamente baixas, produzindo assim compósitos de alta-condutividade-térmica.
I. Nitreto de boro e composição de carga multi{1}dimensional
Para uma única carga BN, a mesma estrutura e tamanho tendem a criar vazios no polímero, e a baixa condutividade térmica do ar limita a melhoria do desempenho térmico do material. O uso de enchimentos híbridos oferece as seguintes vantagens principais:
① O efeito sinérgico entre cargas de diferentes formatos atinge maior condutividade térmica em cargas mais baixas, mantendo boas propriedades mecânicas e de processamento do polímero;
② Os enchimentos também podem conferir outras funções ao material, como retardamento de chama e hidrofobicidade.
01 BN com preenchimentos-de dimensão zero: combinação "ponto-plano"
Os preenchimentos-de dimensão zero são granulares. Enchimentos termicamente condutores bidimensionais BN e zero{3}}dimensionais combinam-se de maneira "plano-ponto", preenchendo lacunas entre as lamelas, aumentando a densidade de empacotamento e facilitando a formação de redes de condução térmica. Cargas termicamente condutivas de dimensão zero comuns hibridizadas com h-BN incluem partículas de carboneto de silício (SiC), nanopartículas de prata (AgNPs), partículas de alumina (Al₂O₃) e partículas de sílica (SiO₂).
02 BN com-preenchimentos unidimensionais: combinação "linha-plano"
Preenchimentos{0}}unidimensionais têm estruturas tubulares ou lineares. BN e cargas termicamente condutivas unidimensionais combinam-se de maneira "plano-linha", agindo como "pontes" conectando a matriz polimérica e h-BN, tornando a rede de condução térmica interna mais densa, reduzindo a resistência térmica interfacial e melhorando a eficiência da transferência de calor. Enchimentos termicamente condutores unidimensionais comuns hibridizados com h-BN incluem nanotubos de carbono (CNT), nanofios de carboneto de silício (SiCNW), nanofios de prata (AgNW), nanofibras de aramida (ANF) e fibras de carbono (CF).
03 BN com preenchimentos bidimensionais-: combinação "plano-plano"
Materiais-dimensionais têm estruturas-semelhantes a flocos. A pesquisa sobre BN composta com cargas bidimensionais concentra-se principalmente no óxido de grafeno (GO). Os dois exibem ligação interfacial estreita, boa correspondência de espectro de fônons e baixa resistência térmica interfacial, melhorando sinergicamente a condutividade térmica no plano-. O empacotamento denso de enchimentos melhora a transferência de calor no-plano e através do-plano, eliminando gradualmente a anisotropia de condução térmica.
04 Enchimentos termicamente condutivos multi-componentes
A hibridização de h-BN com vários tipos de enchimentos termicamente condutivos tornou-se um ponto importante de pesquisa. Aumentar a variedade de cargas termicamente condutoras cria vias de condução térmica mais complexas, promove rápida transferência de calor e pode conferir múltiplas funções ao material, como retardamento de chama e hidrofobicidade. No entanto, à medida que os tipos de enchimentos termicamente condutivos aumentam, as incertezas na arquitetura do enchimento também aumentam.
II. Construção de redes de condução térmica tri-dimensionais
Embora cargas compostas de diferentes tamanhos e morfologias de partículas possam efetivamente promover a formação de vias de condução térmica dentro do material, a introdução de cargas leva ao aumento da resistência térmica interfacial. A construção de uma rede de condução térmica 3D não apenas reduz a área de contato entre as cargas e a matriz e diminui a resistência térmica interfacial, mas também estabelece uma rede de condução térmica contínua e estável, melhorando eficientemente a condutividade térmica do compósito em baixas cargas de carga. Atualmente, existem quatro métodos principais para a construção de redes de condução térmica 3D:
01 Método de modelo: estruturalmente controlável, fácil de operar
O método de modelo é amplamente utilizado para construir estruturas-tridimensionais em composições. Suas vantagens incluem controle preciso sobre a estrutura da rede, aplicabilidade a vários enchimentos e matrizes e operação simples. No entanto, não pode aumentar muito o conteúdo de enchimento.
Método de modelo de gelo: utiliza o congelamento direcional de soluções aquosas, onde os cristais de gelo crescem em orientações específicas, para construir uma rede de condução térmica 3D. É amplamente aplicado devido à sua simplicidade e facilidade de operação.
Método de modelo de espuma: usa espuma como modelo simples, com enchimentos de alta condutividade-térmica-como componente principal. As técnicas de impregnação infiltram o polímero líquido em uma estrutura de rede tridimensional de-pressão negativa-pré-formada. A compressão mecânica densifica e alinha a rede de condução térmica, produzindo compostos termicamente condutivos de alto-desempenho para aplicações multifuncionais.
Método de modelo sacrificial: remove um modelo inicial para criar uma rede de condução térmica interconectada tri-dimensional. Numerosos estudos usaram sal e açúcar solúvel em água-como modelos de sacrifício para preparar estruturas de rede 3D em compósitos termicamente condutivos.
02 Método de auto-montagem
Uma técnica em que unidades estruturais básicas (moléculas, nanomateriais, mícrons- ou substâncias em-escala maior) formam espontaneamente estruturas ordenadas por meio de interações não-covalentes. Comparado ao método de modelo, é mais simples, tem menor custo e permite um limite superior mais alto de conteúdo de preenchimento. No entanto, pode introduzir ligantes ou cargas altamente condutivas, afetando o desempenho do isolamento.
03 Método-de pressão quente
Usa aquecimento e prensagem para construir uma estrutura de rede 3D orientada, que pode efetivamente aumentar a condutividade térmica e a resistência mecânica. Isto geralmente é conseguido através de interferência mecânica. Os parâmetros do processo de prensagem-a quente são altamente ajustáveis, permitindo o controle de orientação e são aplicáveis a uma ampla gama de sistemas de materiais, ao mesmo tempo que fortalecem a estabilidade estrutural interna.
04 3Método de impressão D
Uma tecnologia de escrita direta-sem molde, caracterizada por alta liberdade de design, baixo custo e processamento rápido. Durante o processo, a extrusão por fusão e o fluxo de cisalhamento induzem alta orientação dos BNNSs na matriz polimérica, resultando em melhor resistência mecânica e aumento da condutividade térmica. Esta tecnologia é amplamente utilizada tanto na pesquisa quanto na fabricação industrial.
05 Outros métodos de construção
Técnicas inovadoras de construção de redes 3D (por exemplo, eletrofiação e métodos mecanoquímicos) podem aumentar significativamente a condutividade térmica e, ao mesmo tempo, melhorar outras propriedades, como desempenho mecânico e elétrico. No entanto, a eficácia destes métodos varia e enfrentam limitações como falta de versatilidade ou condições experimentais exigentes.