一種原位合成高導熱S-BN方法的探究

摘 要：隨著科技的飛速發展，為減少因電力電子設備內部熱量積蓄造成設備安全隱患，高導熱熱界面材料受到研究人員的廣泛關注。球形氮化硼（S-BN）不僅保持了氮化硼原有的優良性能，而且還具有顆粒度良好，比表面積高等優點，實現了高填充、高導熱的優良性能。本文主要探究了一種通過選取合理的硼源、氮源原位合成高導熱球形氮化硼材料的方法。

關鍵詞：高導熱；S-BN；球形氮化硼；原位合成；熱處理

1 引 言

當今時代，電力電子產業飛速發展，各種設備加速向微型化、多功能化等方向靠攏，設備內部集成度也隨之越來越高，單位體積產生了更多的熱量，造成設備內部熱量積蓄嚴重，使得設備的工作安全隱患增大、使用壽命降低，嚴重影響了電力電子設備的穩定運行。為了保障器件正常運轉，必須將產生多余的熱量散發出去，因此如何實現有限空間內的快速散熱是現如今電力電子設備發展的關鍵問題。

球形氮化硼是一種由氮化硼微米級單片組成的多晶球體。與片狀、管狀、層狀氮化硼相比，球形氮化硼不僅保持了氮化硼原有的優良性能，而且還具有顆粒流動性好、比表面積高等優良品質，可使氮化硼在聚合物內的添加量更高，進而獲得更高的熱導率性能，并且大的顆粒填充因子和大的特定區域，克服片層狀BN在聚合物中填充量小的缺點，實現高填充量、高導熱的目的。

當前我國發展氮化硼陶瓷產業政策及市場需求前景可觀，市場潛力較大，投資該項目有較強的市場可行性、經濟效益可行性，不僅可以促進我國新型氮化硼陶瓷產業的快速發展，還可以有效滿足當前市場需求。

但國內市場上銷售的氮化硼通常為片狀或不規則團聚體，表面積低，氧碳雜質含量高，結晶度差。目前國內球形氮化硼的形成機理尚不完善，制備工藝尚不成熟，國內多數利用噴霧造粒制備成球形，限制了球形氮化硼在國防軍事及電力電子等領域應用。

2 原位合成S-BN的原理

目前國內外球形氮化硼納米粒徑主要采用氣相法制成，微米級別主要采用噴霧造粒法合成。本文研究的原位合成S-BN技術研究的原理是采用硼酸、硼砂以及三聚氰胺等原材料，進行噴塔造粒，經高溫熱處理原位生長，合成高純球形氮化硼粉體；經過實驗驗證得到的球形氮化硼粉體純度高、粉體活性高，非常適合做塊體氮化硼陶瓷材料的原材料，也可用于W9M3djsYpXL+jlbombxBSxNtqQKC5KQUzyHc/GWDbO0=導熱填料等多個領域。

3 原位合成S-BN的工藝

采用合適、高純氮化硼合成的原材料，通過混合，加入合適的助劑，通過噴霧造粒等工藝，造出合適粒徑的球形氮化硼前驅體，然后通過真空燒結或者氮化工藝，進一步高溫處理，使得球形氮化硼中間體進一步致密化和晶型完整化，賦予球形氮化硼顆粒高強度和高導熱性，從而滿足填料在調配、施工過程中的使用要求。

4 原位合成S-BN的方法

4.1原材料的選擇研究

本研究主要以硼砂、硼酸為硼源，以三聚氰胺、氯化銨或尿素為氮源，其特性各不相同；如硼砂作為硼源及催化劑，需要添加，引入必定會帶入Na離子，Na離子最終成為產品中雜質，引入量如何確定，后續如何處理，采用水洗法浸出還是其他辦法除去Na離子，根據實際情況采用不同方法來對待；另外三聚氰胺作為一種最為常見的氮源，但由于其水溶性低，如何保證其在水溶液中完全反應，并且在噴霧之前做成均勻漿料，都是技術關鍵。

4.2配方體系的設計

根據球形氮化硼粉體的用途，采用合適材料體系的配方。如果用作導熱填料，則需要提高BN純度，減少B2O3及O含量，提高其導熱性能。提高氮化硼純度，首先考慮原輔材料的B/N比例，必須將N源比例適當提高，使得原料中的B源反應完全，不能有剩余的B2O3存在；其次，前驅體噴霧造粒完成以后，第一次熱處理的制度選擇，需要根據球形前驅體的實際情況確定；需根據其中O、C含量選擇一個合適的熱處理制度進行熱處理，確保在二次熱處理以前，將其中的O、C排除干凈。

4.3原料處理工藝的研究

球形氮化硼粉體前驅體的制備，將合適硼砂、硼酸溶入合適的水中，并加熱到80～98℃，加入經過磨細處理的超細三聚氰胺，通過攪拌，在恒溫恒濕的條件下，保持20～50小時，使得硼酸和三聚氰胺的混合物而形成的新型硼酸三聚氰胺（C3N6H6·2H3BO3）粒子，即得球形氮化硼粉體的前驅體。

噴霧造粒過程中，我們還需控制料漿粘度、濃度以及噴塔進出口的溫度等參數，得到不同粒徑的球形BN粉體，達到預期效果；料漿粘度主要通過下面的幾個因素來控制：固相含量、料漿PH值、料漿Zeta電位等；噴霧造粒參數則是通過調整霧化盤類型、霧化盤線速度以及進出口溫度等控制；球形氮化硼顆粒分級技術控制通過如下關鍵工藝參數：引風機頻率、分級輪線速度等來控制。

4.4燒結工藝研究

球形氮化硼粉體前驅體熱處理分成2步，第一步為低溫熱處理，該步驟目的為除去結晶水，有機部分裂解，排掉C、O有害雜質，因此會選擇溫度在400-700℃范圍內進行熱處理，以確保得到足夠純度的球形BN中間體。第二步熱處理，目的為將球形BN中間體轉化為BN，使得BN晶粒發育、長大，并結晶完全，得到結晶度高的BN晶粒；同時確保晶粒在球形BN內部進行重新排列，達到晶粒緊密接觸，致密度足夠高的球形氮化硼粉體，從而確保其有足夠導熱性能。

4.5產品的性能評價研究

球形氮化硼粉體自身的評價，可從粒度、振實密度、比表面積、導熱系數、雜質含量等方面進行評價。其振實密度反應了球形氮化硼顆粒的堆積密度，對后期向導熱樹脂加入過程中具有指導意義。比表面積則是反應了球形氮化硼粉體的表面致密度，對于球形粉體在導熱膠中加入量直接相關。雜質含量則從微觀角度，來確保BN晶粒有著更少的晶格缺陷，確保球形粉體的導熱效果。

參考文獻

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Study on a method of in-situ synthesis of high thermal conductivity S-BN

ZHANG Dong，ZHANG Da-jun，DUAN Wen-ting，ZHOU Hai-li，LIN Xin-feng

（1.Shandong Industrial Ceramics Research & Design Institute Co.， Ltd. ShanDong ZiBo 255000

2.Shandong Ceramics Research & Design Institute Pingxiang Branch，JiangxiPingxiang 337000）

Abstract： With 072cc03c3e110993bbac9b43ab624c11the rapid development of science and technology， high thermal conductivity interface materials have been paid more and more attention by researchers in order to reduce the potential safety hazard caused by heat accumulation in power electronic equipment. Spheroidal b3f803aadda3427c59115ba5815aad27eoron nitride （S-BN） not only keeps the original excellent properties of BN， but also has the advantages of good particle size， high specific surface area and so on. In this paper， a method of in-situ synthesis of high thermal conductivity spherical boron nitride materials by selecting reasonable boron and nitrogen sources is studied.

Keywords： High thermal conductivity；S-BN；spherical boron nitride；in-situ synthesis；heat treatment