科研進展
蘭州化物所在六方氮化硼基微納復合材料設(shè)計與功能化集成研究獲系列進展
隨著電子設(shè)備向微型化、高集成化、高功率化和高頻化方向發(fā)展，熱量積聚與電磁波干擾問題日益嚴重。同時，由于封裝空間極其受限，系統(tǒng)內(nèi)部往往難以預留足夠的空間用于獨立安裝散熱或電磁波防護組件，這不僅限制了信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，更嚴重威脅電子設(shè)備的服役壽命。傳統(tǒng)的方法通常是同時引入兩種填料來實現(xiàn)雙重功能，但不同功能填料間可能存在阻抗失配或熱傳遞受阻等協(xié)同性問題而存在顯著局限性。因此，開發(fā)兼具高效熱管理、吸波/電磁屏蔽性能的封裝防護材料具有極其重要的意義。
中國科學院蘭州化學物理研究所蘭州潤滑材料與技術(shù)創(chuàng)新中心納米潤滑課題組于元烈研究員團隊，圍繞六方氮化硼（h-BN）基功能材料的設(shè)計制備及其導熱、吸波/電磁屏蔽性能調(diào)控開展了系列研究。h-BN與石墨具有相似的結(jié)構(gòu)，具有導熱性能好、電絕緣性能優(yōu)異、化學性能穩(wěn)定、高溫抗氧化性能強、介電常數(shù)低等特性，是理想導熱防護材料之一。然而，h-BN材料固有的低介電常數(shù)及寬禁帶特性使其表現(xiàn)為顯著的透波性，難以直接應用于電磁波吸收或電磁屏蔽領(lǐng)域。因此，必須通過改性來調(diào)控h-BN材料的吸波/電磁屏蔽性能。研究人員通過合理調(diào)控材料的微觀形貌、界面結(jié)構(gòu)及復合組分，將絕緣、低介電常數(shù)的h-BN與導電組分或磁性組分耦合以增強其吸波/電磁屏蔽性能；同時，還能利用其卓越的熱傳輸特性，將吸收的電磁波轉(zhuǎn)換的熱量及電子器件運行過程中產(chǎn)生的熱量迅速傳導出去，從而實現(xiàn)高效電磁波防護與熱管理的雙重功能，為緊湊封裝環(huán)境下的多功能防護材料的開發(fā)提供技術(shù)支撐。
研究人員通過原位生長策略，以金屬有機框架（ZIF-67）衍生出的金屬鈷納米顆粒（Co）為催化劑，在六方氮化硼微米片（BNFs）表面誘導生長碳納米管(CNTs)，成功構(gòu)建了具有“管-片”橋接結(jié)構(gòu)的異質(zhì)復合材料（Co@CNT/BNFs）。CNTs的引入有效調(diào)節(jié)了體系的阻抗匹配性能，通過合理調(diào)節(jié)復合材料的含量實現(xiàn)了入射電磁波的高效衰減。此外，得益于CNTs與BNFs之間形成的橋接結(jié)構(gòu)，該復合材料能夠降低接觸界面熱阻，進而顯著增強聚合物基體的導熱性能。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Carbon (2024,227,119242)上 。
圖1.(a) Co@CNT/BNF復合材料制備示意圖;(b) 吸波性能和(c) 導熱性能。
研究人員還通過高溫自催化生長工藝，在碳纖維(CFs)表面構(gòu)建了仿球菊狀氮化硼微米球（PC-BNSs），制備出一種具有多尺度分級結(jié)構(gòu)的復合材料。該結(jié)構(gòu)集成了PC-BNSs、CFs與磁性Co納米顆粒（PC-BNS/CF@Co），利用多尺度協(xié)同效應、多重散射及磁-電耦合機制，大幅提升了復合材料對電磁波的衰減能力。實驗證實，該PC-BNS/CF@Co復合材料在極低填充下即可實現(xiàn)強吸波與寬頻吸收。此外，復合薄膜還兼具優(yōu)異的以吸收為主導的電磁屏蔽性能（55 dB）和顯著的光熱轉(zhuǎn)換能力，在智能電磁防護領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Chemical Engineering Journal (2025,510,161436)上。
圖2. PC-BNS/CF@Co多功能復合材料制備與性能評價。
近期，針對傳統(tǒng)h-BN改性方法工藝復雜和環(huán)境負荷大的問題，研究團隊提出了一種簡易且可擴展的機械力誘導活化改性策略，調(diào)控h-BN的導熱和吸波性能。該研究利用液態(tài)金屬（LM）的流動性及其高導電特性，通過機械過程讓LM與BNFs充分接觸并發(fā)生反應，從而活化BNFs表面，引入豐富的界面極化中心和缺陷位點（BNF@LM）。優(yōu)化后的BNF@LM復合材料在維持高效吸波性能的同時，能夠與芳綸納米纖維復合制成柔性復合薄膜，展現(xiàn)出優(yōu)異的熱管理及良好的阻燃性能，確保了材料在極端環(huán)境下運行的可靠性。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Journal of Advanced Ceramics (2025,14,9221208) 上。
圖3. BNF@LM復合材料制備與性能評價。
以上研究工作得到了國家自然科學基金、航空科學基金等項目的支持。
