可熱成型為復雜結構的氮化硼基全陶瓷復合材料

近日，美國東北大學Randall M. Erb教授課題組在Advanced Materials 雜志上發表論文，報道了一種可以通過熱成型為復雜結構的氮化硼基全陶瓷復合材料（ceramic matrix composite, CMC）。這種可熱成形加工的材料在實現電絕緣的同時，室溫下還表現出優異的機械強度和導熱性能。用這種材料熱壓成型的電子產品散熱器件，相比于傳統金屬散熱器件質量更輕且不會干擾射頻信號。這種材料用于高密度電子產品的熱管理系統，或可改變下一代電子產品的設計和構造。

從初始漿料到最終熱成型，加工過程總共分為五個步驟。首先，六方氮化硼（hBN）顆粒作為CMC材料的核心成分被添加到光敏膠中，并沉積在基板上。漿料表現為Hershel-Buckley流體，振動可使其流動。隨后，漿料被刮涂成薄膜，剪切力作用可提高hBN的面內取向，提高層內對齊。隨后，利用紫外光將其固化。在梯度升溫并燒結過程中，部分hBN被均勻氧化為B2O3。

有趣的是，這種CMC材料加熱到450 °C以上時，氧化硼（B2O3）會熔化，使材料再次表現出粘性和可塑性，通過施加足夠的熱量（500~700 °C）、壓力和成型時間（＞10 min），就可以實現結構件的熱成型加工，甚至制成復雜的人臉模型（下圖a）。除了便于加工，CMC材料具有較高的導熱率，垂直平面的熱導率為3.52±0.67 W mK?1，由于平面內hBN的剪切取向，面內熱導率可達12.8 W mK?1。盡管氧化硼的引入使材料的熱導率低于純hBN的理論值，但與其他可熱成型的材料相比，基于hBN的CMC材料密度較低，可用來改善電子設備的散熱性能。

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