长春工业大学 App. Surf. Sci.|氮化硼包覆沥青基碳纤维骨架同时实现复合材料的高导热性和电绝缘性

文献分享|氮化硼包覆沥青基碳纤维骨架同时实现复合材料的高导热性和电绝缘性

DOI：10.1016/j.apsusc.2026.165931

通讯作者：尚垒副教授

研究背景

随着5G等技术的发展，电子设备日益趋向小型化和高密度集成，导致热量积聚问题严重，威胁着元器件的性能和寿命。聚合物基热界面材料因成本低、易加工而广泛应用，但其本征热导率很低。添加高导热填料是提升其性能的主流方法，其中沥青基碳纤维因其高热导率而备受关注。然而，沥青基碳纤维的应用面临两大核心挑战：一是其高导电性难以满足热界面材料同时需要高导热和高电绝缘的要求；二是直接添加碳纤维容易在聚合物基体中团聚和分散不均，极大地限制了其热导增强效率的发挥。

创新点

通过一步球磨法同时实现了氮化硼的剥离与改性，并通过静电自组装在碳纤维表面沉积氧化石墨烯，进而利用π-π堆叠作用将改性后的氮化硼纳米片包覆在碳纤维上，形成绝缘涂层。随后，采用液氮驱动的冰模板法制备了三维氮化硼/碳纤维骨架，并通过真空浸渍环氧树脂得到复合材料。该三维骨架提供了垂直取向的快速热流传输通道，氮化硼涂层不仅作为填料间的“桥梁”降低了界面热阻，其绝缘特性也确保了材料的高体积电阻率。

图文速览

图1 (a) BN/PCF杂化材料的制备方法，(b) 冰模板法结合真空浸渍制备3D-BN/PCF-EP复合材料的示意图

图2 (a) BNNS-TA的原子力显微镜图像，(b) BN、TA及BNNS-TA的红外光谱图，(c)~(e) 改性前后的热重分析、X射线衍射与拉曼光谱，(f) 改性前后材料在水中的分散状态照片

图3 (a)-(c) 分别为PCF、PCF-PEI与PCF-GO的扫描电子显微镜图像，(d) 不同PCF样品的红外光谱图，(e) 不同PCF样品的X射线衍射图谱，(f) 不同PCF样品的拉曼光谱，(g) 不同PCF样品的全谱X射线光电子能谱，(h) C 1s峰与(i) N 1s峰的高分辨率X射线光电子能谱

图4 (a)-(c) BN/PCF杂化填料的扫描电镜图像及其对应的能谱分析谱图，其中(b)为硼元素，(c)为氮元素分布；(d) 放置于花朵上的三维BN/PCF骨架实物照片；(e)-(f) 三维BN/PCF骨架的扫描电镜图像；(g)-(i) 三维BN/PCF-EP复合材料的扫描电镜图像

图5 (a)-(b) 三维BN/PCF-EP复合材料的热导率与热导增强效率，(c) Agari模型拟合曲线，(d)-(e) 四种不同复合材料（填料含量20 wt%）的热导率与热导增强效率对比，(f) 本研究与近年文献报道的BN/PCF/EP复合材料热导性能对比分析，(g)-(h) 随机分布BN/PCF-EP与三维结构BN/PCF-EP的热传导机理示意图，(i) 四种不同复合材料的结构示意图

图6 (a) 石墨烯加热台示意图，(b) EP与三维BN/PCF-EP复合材料的升温曲线，(c) 降温曲线，(d) LED灯与铜散热器的实物照片，(e) 模拟应用场景示意图，(f) 三种不同热界面材料下LED灯的工作温度变化曲线，(g) LED工作过程中的红外热成像图

图7 (a) EP与三维BN/PCF-EP复合材料的介电常数，(b) 介电损耗，(c) 体积电阻率与(d) 击穿电压对比，(e) 电绝缘机理示意图，(f) 本研究与使用相同填料的其它文献性能对比