氮化硼納米片（Boron Nitride Nanosheets, BNNS）由于優異的絕緣性能、熱穩定性能、機械強度以及高熱導率1 700~2 000W·m^-1·K^-1，成為近年來導熱絕緣聚合物材料領域的研究新寵。但是通過引入大量BNNS來達到提升熱導率目的的同時會使材料的力學性能急劇下降，并且大量填料的引入會使體系粘度急劇上升，造成BNNS的分散不均勻，界面缺陷增多，使得導熱聚合物材料的熱導率提升不及預期。如何利用好BNNS，“少量填充，高效提升導熱聚合物材料的熱導率”一直是業界的追求目標。基于導熱通路理論，構筑3D導熱結構策略的提出完美契合了這一目標。自組裝法構筑3D導熱結構指分子間通過非鍵合力自發組成穩定聚集體，其操作簡單，制備效果好，是一種有效的構筑3D熱導通路的方法。基于此，本文介紹了幾種常見的用于制備3D結構的自組裝方法。

熱導通路理論示意圖

一、基于非共價鍵作用進行自組裝

BNNS由于表面化學惰性，與基體的界面相容性較差，因此在實際使用過程中常常是經過功能化表面改性。因此，在界面結合方面，就運用到了不同的非共價鍵作用，包括氫鍵、p-p鍵共軛作用、靜電作用力和共價鍵作用力。

①氫鍵作用

最常見的氫鍵作用，可以改善填料與基體的相容性，提高聲子傳輸效率，其強度介于共價鍵和范德華力之間，并且具有明確方向性以及可馳豫性。因此可以利用氫鍵作用進行自組裝制備3D BNNS填料結構。常見的有將羥基化處理的BNNS與富含羥基的纖維素進行自組裝，依靠纖維素的線性結構引導BNNS進行排列取向，形成3D導熱結構。

②范德華力

范德華力的存在可以提高作用。利用范德華作用力，將納米芳綸纖維（ANF）與BNNS進行自組裝，可使ANF沉積在BNNS表面，形成堆積結構，聲子利用耦合作用可實現相鄰片層的高效傳遞，提升熱導率。利用剛性ANF良好的堆積晶體結構和其與BNNS之間的p-p鍵共軛作用、范德華力以及氫鍵作用，可顯著提升剛性ANF/BNNS薄膜的熱導率。

(a) BNNS與納米纖維素通過氫鍵作用自組裝; (b) BNNS與ANF通過范德華力自組裝

③靜電作用力

靜電作用力對于調控填料的分布作用同樣不可忽視。正負離子之間的靜電作用力是一種強識別原動力。利用填料之間的靜電作用力，可以輕易實現3D導熱結構的建立。如利用靜電作用力可實現BNNS在三聚氰胺泡沫（Melamine foam, MF）上的層層組裝，制備的導熱聚合物材料熱導率得到明顯提升。同樣，利用靜電作用力可將帶負電的BNNS與帶正電的聚二烯丙基二甲基氯化銨改性聚苯乙烯微球（PS@PDDA）進行組裝，制備出3D結構的復合導熱微球。

BNNS與MF靜電自組裝形成3D結構的SEM圖

非共價鍵作用進行自組裝時大部分需要在溶液中進行，在這個過程中需要注意一下幾點：

① 組分濃度的變化會引起組裝結構的變化，因此對各組分濃度進行適當調控；

② 溶劑作用。選取的溶劑首先不能破壞產物結構，其次各組分在溶劑中遵循“不相容”原則。

二、利用化學氣相沉積法（CVD）進行自組裝

化學氣相沉積（CVD）是利用氣態反應物于一定溫度下在固體襯底表面進行化學反應生成特定產物的方法。基于CVD的生長策略，可在具有3D結構的襯底表面生長BNNS，構筑出完善的導熱通路。如可在鎳金屬泡沫上利用CVD法生長出BNNS，然后將鎳刻蝕掉即可得到3D結構的BNNS。同樣，可以利用CVD策略，在BNNS片層表面原位生長出碳納米管（CNT），制備出具有3D互連結構的復合填料（BNNS/CNTs）。利用CVD法進行自組裝時需要注意一下幾點：

①反應氣體的流動對產物質量具有重要影響，需要考慮反應氣體的反應順序以及如何沉積到襯底的表面；

②注意沉積時間的長短，反應溫度同樣會影響生產速率。產物沉積速率受到反應物最后一步化學反應速率的影響，當反應溫度與壓力降低時，會使反應速率變慢，從而降低產物的沉積速率。

BNNS經CVD法生長在鎳泡沫上形成3D結構. (a) BN 泡沫的宏觀圖; (b) 和(c) 3D 結構的微觀圖; (d)和(e) TEM圖

BNNS與CNT經CVD法自組裝形成3D結構. (a) BNNS; (b) BNNS@CNTs

總結

自組裝法構筑3D BNNS導熱結構，是研究BNNS在導熱聚合物材料領域高效利用的重要組成部分，尤其是在結構制備過程中的優勢，使得其具有廣闊的應用前景。但是，如何進行工業化生產，滿足下游產品應用仍然是一大難點。對于3D BNNS導熱結構的建立還有包括模板法、雜化法等在內的多種方法。隨著國內公司在氮化硼納米片的生產及銷售領域的發力，氮化硼在導熱界面材料領域的應用也得到了廣泛關注， BNNS基高導熱聚合物界面材料的問世指日可待。

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