揭秘高效散熱材料：球形氮化鋁與六方片狀氮化硼，誰才是導(dǎo)熱王者？

文章出處：行業(yè)動態(tài) 責(zé)任編輯：東莞東超新材料科技有限公司發(fā)表時間：2025-01-03

　　? 在當(dāng)今電子設(shè)備日益小型化、高性能化的趨勢下，熱管理已成為電子行業(yè)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。為了有效地將熱量從熱源傳導(dǎo)至散熱裝置，熱界面材料（TIMs）的作用至關(guān)重要。在眾多的熱界面材料中，導(dǎo)熱填料的選擇對材料的熱傳導(dǎo)性能有著決定性的影響。六方片狀氮化硼（h-BN）和球形氮化鋁（AlN）作為兩種高性能的導(dǎo)熱填料，它們在熱界面材料中的應(yīng)用各自展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢和特點，為電子產(chǎn)品的熱管理提供了有效的解決方案。以下是六方片狀氮化硼和球形氮化鋁在導(dǎo)熱填料熱界面材料應(yīng)用中的比較分析。

晶體結(jié)構(gòu)：

球形氮化鋁（AlN）：氮化鋁具有立方晶系結(jié)構(gòu)，其晶格結(jié)構(gòu)緊密，有利于聲子的傳遞，從而具有很高的熱導(dǎo)率。

? 球形氮化鋁

六方片狀氮化硼（h-BN）：氮化硼具有六方晶系結(jié)構(gòu)，其層狀結(jié)構(gòu)使得熱傳導(dǎo)主要沿著層面進行，層間的范德華力較弱，可能導(dǎo)致層間熱傳導(dǎo)效率較低。

? 六方片狀氮化硼

熱導(dǎo)率：
球形氮化鋁：氮化鋁的熱導(dǎo)率通常在280-320 W/m·K范圍內(nèi)，是一種非常優(yōu)秀的導(dǎo)熱材料。
六方片狀氮化硼：氮化硼的熱導(dǎo)率在理論上是較高的，單晶體氮化硼的熱導(dǎo)率可以達到1000 W/m·K以上，但實際應(yīng)用中的多晶或粉末狀氮化硼的熱導(dǎo)率通常會低于這個值，大約在300-600 W/m·K之間。

六方片狀氮化硼（h-BN）的優(yōu)缺點：
優(yōu)點：
高平面熱導(dǎo)率：六方片狀氮化硼具有非常高的平面內(nèi)熱導(dǎo)率，可達1000-1500 W/m·K，有利于在熱界面材料中形成有效的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。
電絕緣性：氮化硼是良好的電絕緣材料，適合用于電子產(chǎn)品的熱管理。
化學(xué)穩(wěn)定性：在高溫和腐蝕性環(huán)境中保持穩(wěn)定，不易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。
層狀結(jié)構(gòu)：片狀結(jié)構(gòu)有助于在熱界面材料中形成層狀導(dǎo)熱路徑，提高整體熱導(dǎo)率。
缺點：
各向異性：六方片狀氮化硼的熱導(dǎo)率具有顯著的各向異性，垂直于平面方向的熱導(dǎo)率遠低于平面內(nèi)熱導(dǎo)率。
分散性：由于其片狀結(jié)構(gòu)，六方氮化硼在基體材料中的分散可能較為困難，需要特殊的處理技術(shù)。
成本：高品質(zhì)的六方片狀氮化硼生產(chǎn)成本較高。
機械性能：氮化硼的機械強度相對較低，可能會影響熱界面材料的整體機械性能。
球形氮化鋁（AlN）的優(yōu)缺點：
優(yōu)點：
較好的熱導(dǎo)率：球形氮化鋁的熱導(dǎo)率在200-320 W/m·K之間，是一種有效的熱傳導(dǎo)材料。
電絕緣性：氮化鋁同樣具有良好的電絕緣性，適合用于電子產(chǎn)品的熱管理。
球形粒子：球形粒子在基體材料中易于分散，有助于形成均勻的熱界面材料。
機械強度：球形氮化鋁具有較高的機械強度，可以提高熱界面材料的耐用性。
缺點：
熱導(dǎo)率各向同性：與六方片狀氮化硼相比，球形氮化鋁的熱導(dǎo)率在各個方向上較為均勻，可能不如片狀氮化硼在特定方向上的熱導(dǎo)率高。
熱膨脹系數(shù)不匹配：球形氮化鋁的熱膨脹系數(shù)與一些基體材料可能不匹配，可能導(dǎo)致熱界面材料在使用過程中產(chǎn)生應(yīng)力。
成本：雖然成本相對較低，但高質(zhì)量球形氮化鋁的成本仍然較高。
環(huán)境敏感性：在高溫和高濕環(huán)境下，氮化鋁可能會發(fā)生水解，影響其穩(wěn)定性和使用壽命。

填料形狀對熱傳導(dǎo)的影響：
球形氮化鋁：球形顆粒在聚合物基體中更容易形成緊密堆積，減少了填料之間的空隙，從而降低了熱阻，提高了整體熱導(dǎo)率。
六方片狀氮化硼：片狀結(jié)構(gòu)在形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)時可能會出現(xiàn)層間滑動，導(dǎo)致熱阻增加，但片狀填料在形成有效的導(dǎo)熱路徑方面也有其優(yōu)勢。
界面熱阻：
球形氮化鋁：球形顆粒與基體之間的界面熱阻相對較低，因為球形顆粒的表面積與體積比較小，接觸面積較大。
六方片狀氮化硼：片狀填料與基體之間的界面熱阻可能較高，因為片狀結(jié)構(gòu)的表面積與體積比較大，且層間界面可能成為熱傳導(dǎo)的瓶頸。
加工與應(yīng)用：
球形氮化鋁：由于其良好的流動性，球形氮化鋁更容易在聚合物中均勻分散，有利于提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性和機械性能。
六方片狀氮化硼：片狀結(jié)構(gòu)在提高材料剛性和強度方面可能更有優(yōu)勢，但在導(dǎo)熱性能方面可能不如球形氮化鋁。

氮化硼和氮化鋁作為導(dǎo)熱填料在熱界面材料中的應(yīng)用各有優(yōu)勢。氮化硼在特定方向上的高熱導(dǎo)率和電絕緣性是其主要優(yōu)勢，但其成本和加工性是限制因素。氮化鋁則在熱導(dǎo)率、機械強度和加工性方面表現(xiàn)良好，但其熱導(dǎo)率的各向同性可能不如氮化硼在某些應(yīng)用中的性能。因此，在選擇導(dǎo)熱填料時，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求、成本預(yù)算和技術(shù)要求來做出決策。

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