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为解决传统球形填料界面热传导提升受限问题，研究人员开展 Al?O?@h-BN 核壳微球表面生长 Al??B?O??晶须的研究。制得的 PDMS 基 ABC-W 复合材料穿面热导率达 8.8 W?m?1?K?1，热各向同性 0.89，为高准各向同性导热聚合物开发提供新策略。
现代电子设备正朝着小型化、多功能化和高性能化迅猛发展，这一趋势带来了一个棘手的难题 —— 设备过热。过热不仅会对电子设备的性能、使用寿命和可靠性产生负面影响，还成为制约其进一步发展的关键瓶颈。聚合物因其具有优异的电绝缘性、重量轻、成本低以及生产工艺简单等优点，常被用作电子设备或半导体基板的热界面材料（TIMs）。然而，普通的纯聚合物热导率较低，仅在 0.2–0.5 W?m?1?K?1 之间，这大大限制了它们在散热领域的应用范围。为了改善聚合物基体热导率低的问题，近年来研究人员尝试将多种导热填料，如金属、碳基材料和陶瓷填料等，添加到聚合物材料中。在半导体行业中，由于对材料的导热性和电绝缘性都有严格要求，六方氮化硼（h-BN）凭借其出色的热导率、电绝缘性、化学稳定性和低介电性能而备受关注。不过，h-BN 本身的二维结构使其具有较高的长径比，在聚合物基体的制备过程中容易沿水平方向排列，这就导致含 h-BN 的聚合物复合材料垂直方向的散热能力较差，尽管其平行方向的热导率较高。
有鉴于此，韩国相关研究机构的研究人员开展了一项旨在提升聚合物复合材料热导率和热各向同性的研究。他们通过一系列工艺制备出特殊结构的填料，并将其与聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合，相关研究成果发表在《Applied Materials Today》上。该研究为解决电子设备的散热问题提供了新的思路和方向，具有重要的实际应用价值。
研究人员主要采用了喷雾干燥技术和热处理工艺这两个关键技术方法。首先，利用喷雾干燥技术制备出 Al?O?@h-BN 核壳微球（ABC）；然后，通过热处理工艺在 Al?O?表面生长出 Al??B?O??晶须，从而制得 Al?O?-Al??B?O??@h-BN 微球（ABC-W）。之后，将 ABC-W 与 PDMS 混合，并通过热压成型制备成复合基板，进而对其热导率和热各向同性进行研究。
结果与讨论
通过 FE-SEM 图像对 h-BN 薄片、Al?O?、ABC 和 ABC-Wx 的微观结构进行了观察。商业 h-BN 薄片呈现出不规则的片状结构，横向尺寸范围较宽，约为 3–11 μm，平均横向尺寸约为 5.1 μm；商业 Al?O?颗粒的平均直径为 10.3 μm。喷雾干燥 Al?O?/h-BN 混合悬浮液后形成了 ABC 核壳微球。在 1100°C 的最佳温度下进行热处理后，Al??B?O??晶须生长良好，呈现出海胆状结构，这种结构有助于形成高效的导热网络。
对含不同填料的 PDMS 复合材料的热导率进行了测试。当 ABC-W1100 填料的体积分数为 60% 时，PDMS 复合材料表现出优异的穿面热导率，达到 8.8 W?m?1?K?1，同时具有较高的热各向同性，热各向同性值为 0.89。与之前报道的使用球形核壳颗粒作为导热填料的研究相比，由于 Al??B?O??晶须形成的多接点互联网络，含 ABC-W 的复合材料在面内和面外方向均表现出出色的热性能。
结论
本研究通过喷雾干燥和热处理工艺，在 Al?O?@h-BN 核壳微球表面合成 Al??B?O??晶须，为提升聚合物复合材料的热导率和准各向同性提供了一种创新方法。在 1100°C 最佳温度下形成的海胆状晶须结构显著促进了高效导热网络的形成。含 60 vol% ABC-W1100 的 PDMS 复合材料展现出优异的热性能，为聚合物基复合材料在电子设备散热领域的应用提供了新的解决方案，该方法制备的导热填料及其复合材料结构简单且具有特殊性能，在热管理应用方面具有巨大潜力。这项研究为开发适用于多种电子设备散热的复合材料提供了重要的理论和实验依据，有助于推动电子行业的可持续发展。
