Роль нанотрубок нитрида бора в термопроводящих материалах следующего поколения

Поскольку электронные устройства уменьшаются в размерах, в то время как их плотность энергии увеличивается, управление теплом стало одной из самых важных инженерных задач двадцать первого века. Кремниевые чипы, мощные светодиоды и аэрокосмические компоненты следующего поколения все требуют материалов, которые могут быстро отбрасывать тепловую энергию, не жертвуя электрической изоляцией или механической прочностью. В течение десятилетий инженеры обращались к металлам, таким как медь и алюминий, или к наполнителям на основе углерода, таким как графит и углеродные нанотрубки. Тем не менее, каждое из этих решений несет компромиссы - металлы тяжелые и электропроводящие, в то время как углеродные нанотрубки, несмотря на их превосходную теплопроводность, создают риски короткого замыкания в чувствительной электронике. Введите нанотрубки нитрида бора (BNNTs), удивительно универсальный наноматериал, который сочетает в себе высокую теплопроводность с полной электрической изоляцией и выдающейся термостабильностью. По мере того, как исследования ускоряются и масштабируемые методы производства улучшаются, B

Понимание нанотрубок нитрида бора: структура и состав

Нанотрубки нитрида бора представляют собой цилиндрические структуры, состоящие из чередующихся атомов бора и азота, расположенных в шестиугольной решетке, аналогичной сотовой структуре углеродных нанотрубок (CNTs). Это атомное расположение, иногда называемое «белым графеном» из-за его цвета и структурного сходства с графеном, дает BNNT уникальный набор характеристик, которые глубоко отличаются от их углеродных аналогов. Сильные ковалентные связи sp2 между бором и азотом наделяют нанотрубки исключительной механической жесткостью и химической инертностью, в то время как широкий диапазон — примерно 5,5 электрон-вольт — гарантирует, что электроны не могут свободно течь, делая их естественными электрическими изоляторами.

Впервые БННТ были синтезированы в 1995 году методом плазменного дугоразряда, и с тех пор было разработано несколько альтернативных маршрутов. Наиболее распространенными методами производства являются:

• Химическое осаждение паров (CVD): Прекурсоры бора и азота вводятся в печь при высоких температурах (обычно 1000-1400 °C) в присутствии катализаторов, образующих нанотрубки на подложке.
• Перемолка шара в сочетании с отжиганием: Порошок бора механически измельчают с помощью железного катализатора, затем нагревают под газообразным азотом для образования BNNT. Этот метод предлагает относительно высокие выходы, но часто приводит к трубкам с различными диаметрами и номерами стенок.
• Плазменный дуговой разряд:] Высокоточная дуга между богатыми бором электродами в атмосфере азота генерирует температуры, достаточные для испарения и конденсации BNNT. Такой подход позволяет производить высококачественные трубки, но при более низкой пропускной способности.
• Лазерная абляция:] Импульсный лазер испаряет бор-мишень в азотной среде, образуя нанотрубки, которые собираются на холодной подложке. Метод обеспечивает точный контроль диаметра трубки, но дорого масштабируется.

Каждый маршрут синтеза влияет на длину, диаметр, хиральность и плотность дефектов нанотрубки, что, в свою очередь, влияет на тепловые и механические свойства. Исследователи продолжают совершенствовать эти процессы для производства BNNT с постоянным качеством и по ценам, которые делают возможным промышленное внедрение.

Ключевые свойства, которые делают BNNT идеальными для термического управления

Исключительная теплопроводность

BNNTs демонстрируют значения теплопроводности, которые могут превышать 2000 Вт / м · К вдоль оси трубки - сопоставимые с рекордными значениями углеродных нанотрубок и намного выше обычных металлов, таких как медь (~ 400 Вт / м · К). Эта замечательная способность теплопередачи проистекает из эффективного распространения колебаний решетки или фононов вдоль сильных, жестких бор-азотных связей. В отличие от электронов в металлах, перенос фононов в BNNT не генерирует нагревание Джоуля или электромагнитные помехи, что делает BNNTs уникальным образом подходящим для приложений, где требуется как рассеивание тепла, так и электрическая изоляция. Кроме того, поскольку теплопроводность является высоко анизотропной - тепло перемещается гораздо более эффективно вдоль оси трубки, чем радиально - выровненные композиты BNNT могут быть спроектированы для направления тепла именно там, где это необходимо.

Электрическая изоляция

Возможно, наиболее стратегически ценным свойством BNNT является их широкий диапазон, который делает их отличными электрическими изоляторами с силой поля пробоя примерно 8 MV / см. Это резко контрастирует с углеродными нанотрубками, которые являются либо металлическими, либо полупроводниковыми в зависимости от их хиральности. В электронной упаковке использование теплопроводного, но электрически изолирующего наполнителя исключает риск короткого замыкания и емкостной связи, позволяя BNNTs быть включенным непосредственно в диэлектрики, соединения горшков и конформные покрытия без ущерба для производительности устройства. Эта изоляция стабильна в широком температурном диапазоне, что еще больше повышает надежность в требовательных средах.

Высокая механическая прочность и гибкость

BNNT обладают прочностью на растяжение порядка 30–50 ГПа и модулем Янга, приближающимся к 1 ТПа, конкурируя с углеродными нанотрубками в механических характеристиках. Их гибкость позволяет их сплетать, рисовать или рассеивать без разрыва, что является критическим преимуществом при интеграции в полимерные, керамические или металлические матрицы. Кроме того, BNNT устойчивы к окислению до 900 °C в воздухе - намного превосходят углеродные нанотрубки, которые начинают разрушаться при 400–500 °C - и они остаются стабильными в инертных атмосферах после 1800 °C. Эта термостабильность открывает двери для использования в высокотемпературных аэрокосмических системах, компонентах двигателя и промышленном технологическом оборудовании.

К другим примечательным атрибутам относятся низкий коэффициент теплового расширения, отличная химическая стойкость к большинству кислот и растворителей и плотность примерно 2,2 г/см3, что ниже, чем у многих обычных наполнителей.Все эти свойства объединяются, чтобы сделать BNNT необычайно универсальным строительным блоком для материалов управления температурой.

Приложения в разных отраслях

Электроника и полупроводниковое охлаждение

Современные микропроцессоры, графические процессоры и силовые модули генерируют тепловые потоки, которые могут превышать 100 Вт / см2, а горячие точки в чипах могут достигать нескольких сотен Вт / см2. Традиционные материалы теплового интерфейса (TIM) на основе смазки, соединений с фазовым изменением или силиконовых подушек часто не достигают производительности или надежности. Усиленные TIM BNNT предлагают улучшение пошагового изменения: путем диспергирования BNNT в полимерной матрице или интеграции их в вертикально выровненные массивы инженеры могут производить материалы с теплопроводностью 10-50 Вт / м·К - в несколько раз больше, чем у обычных TIM - при сохранении отличной электрической изоляции. Эти композиты BNNT также исследуются как материалы с недостаточным наполнением для пакетов с флип-чипом, как тепловые подушки для мощных светодиодов и как подложки теплораспределителя в модулях связи 5G. Первоначальные исследования показали, что включение всего лишь 1-5 весовых процентов BNNT в эпоксидные может удвоить теплопроводность компози

Аэрокосмические и легкие композиты

Снижение веса имеет первостепенное значение в аэрокосмической отрасли, где каждый сэкономленный килограмм напрямую приводит к экономии топлива или увеличению полезной нагрузки. Решения для управления температурой на основе металлов являются тяжелыми и склонными к коррозии или усталости. Композиты из полимеров на основе BNNT могут обеспечить тепловые характеристики, необходимые для спутникового теплового контроля, охлаждения авионики и гиперзвуковых конструкций транспортных средств без штрафа за вес. Кроме того, высокотемпературная стабильность BNNT (до 900 °C в воздухе) делает их кандидатами на тепловые экраны, гондолы двигателя и конусы сопла ракеты. Исследователи НАСА и Европейского космического агентства активно исследовали композиты из керамической матрицы с усилителем BNNT, которые могут выдерживать экстремальную тепловую цикличность, испытываемую во время повторного входа и орбитальных маневров. Компоненты прототипа продемонстрировали улучшенную тепловую диффузивность и уменьшенный коэффициент теплового расширения по сравнению с неармированной керамикой, вместе с повышенной прочностью на разрыв от вытягивания BNNT через трещинные поверхности.

Энергетические хранилища и термоуправление аккумуляторами

Литий-ионные батареи генерируют значительное тепло во время быстрой зарядки и разрядки, а тепловые события бегства остаются проблемой безопасности в электромобилях и системах хранения сетки. BNNT могут быть включены в сепараторы батарей, электродные связующие и тепловые панели для улучшения распределения тепла и уменьшения горячих точек. Поскольку BNNT являются электрически изоляционными, они не способствуют внутренним коротким замыканиям; их высокое соотношение сторон и теплопроводность позволяют им формировать перколяционные сети при низких уровнях нагрузки. Некоторые экспериментальные батареи с сепараторами с усиленной BNNT способностью образовывать сети перколяции при более однородных условиях зарядки, приписанных более равномерной температуре внутри ячейки. В суперконденсаторах BNNT могут служить теплопроводящими электродами или токоприемниками, улучшая плотность мощности и эксплуатационную стабильность. Топливные элементы также приносят пользу: протонно-обменные мембранные топливные элементы, работающие при повышенных температурах, требуют влажности и теплового регулирования, которые могут обеспечить пластины и

Термический интерфейс Материалы

Интерфейс между источником тепла и теплоотводом часто является наиболее резистивным элементом в тепловом пути. Воздушные зазоры, шероховатость поверхности и плохая производительность контакта ухудшаются. BNNT могут быть сформулированы в смазки, зазорные наполнители и материалы фазового изменения, которые соответствуют поверхностям и снижают тепловое сопротивление. Выровненные массивы BNNT - иногда называемые «термальными лесами» - предлагают особенно низкие значения сопротивления (< 1 см2·К / Вт) при нажатии между чипом и распредвалом тепла. Коммерческие продукты TIM на основе BNNT начинают выходить на рынок, ориентируясь на приложения высокой надежности в телекоммуникациях, центрах обработки данных и силовой электронике, где важна долгосрочная стабильность при тепловом цикле.

Проблемы производства и интеграции

Масштабируемый синтез

Несмотря на впечатляющие результаты лабораторного масштаба, широкое внедрение BNNT сталкивается со значительными производственными препятствиями. Современные методы синтеза обычно производят граммы на партию, тогда как промышленные применения требуют килограммов или даже тонн. Методы плазменной дуги и лазерной абляции энергоемки и трудно масштабируются без ущерба для качества. Подходы CVD обеспечивают достаточно высокую чистоту, но часто полагаются на дорогие газы-предшественники и подготовку субстрата. Методы обработки шара более масштабируемы, но вводят металлические примеси и производят нанотрубки с широким распределением диаметра. Поиски недорогого, высокопроизводительного и последовательного процесса синтеза BNNT остаются предметом интенсивных исследований. Недавние достижения в реакторах с жидкостным слоем и CVD с плавающим катализатором показали себя многообещающими, причем некоторые компании, такие как BNNT LLC и Tekna, предлагают коммерческие количества, хотя цены остаются высокими (сотни до тысяч долларов за грамм).

Дисперсия и композитная обработка

Даже когда BNNT доступны, интеграция их в композитные материалы представляет собой вторую проблему. Сильные силы Ван-дер-Ваальса между нанотрубками заставляют их запутываться и агломерироваться, что приводит к плохой дисперсии в полимерных, металлических или керамических матрицах. Без равномерной дисперсии выигрыши в теплопроводности ограничены, потому что агломераты действуют как центры рассеивания фононов, а не эффективные тепловые пути. Функционализация поверхности BNNT - например, присоединение гидроксильных, аминовых или силановых групп - может улучшить совместимость с матрицами хозяина, но агрессивная функционализация может ухудшить нетронутую структуру трубки и уменьшить теплопроводность. Нековалентные обработки с использованием поверхностно-активных веществ или полимеров предлагают более мягкую альтернативу, но оптимизация условий концентрации и обработки для каждой матричной системы требует времени. Смешивание сдвига, ультразвуковая обработка и трехролевое фрезерование являются общими методами дисперсии, но они должны тщательно контролироваться, чтобы избежать сокращения нанотрубок

Сравнительный анализ: BNNT против углеродных нанотрубок против других наполнителей

Чтобы понять, почему BNNT привлекают внимание, поучительно сравнить их с наиболее известными нанонаполнителями. Углеродные нанотрубки (CNT) являются золотым стандартом теплопроводности, с заявленными значениями до 3500 Вт / м·К. Они также дешевле в производстве и изучались в течение двух десятилетий дольше, чем BNNT. Однако CNT являются электропроводящими, что ограничивает их использование во многих электронных упаковочных приложениях. При использовании в полимерных композитах при высоких нагрузках CNT могут просачиваться электрически и создавать токи утечки или короткие замыкания. BNNT полностью избегают этой проблемы - они сочетают высокую теплопроводность с превосходной электрической изоляцией.

Другие распространенные тепловые наполнители включают частицы нитрида бора (гексагональный нитрид бора, h-BN), глюмина, нитрида алюминия и алмаза. Хотя эти материалы являются электрически изоляционными, их теплопроводность значительно ниже, чем у BNNT, особенно в композитной форме. Например, порошки h-BN в микронном масштабе дают композиционную теплопроводность 2-10 Вт / м·К при типичных нагрузках, тогда как выровненные композиты BNNT могут превышать 40 Вт / м·К. Кроме того, BNNT обеспечивают механическое усиление, которого нет у твердых частиц, улучшая прочность разрушения и модуль материала-хозяина. Алмазные наполнители обеспечивают высокую теплопроводность (2000 Вт / м·К для одиночных кристаллов), но являются дорогими, трудными для обработки и электропроводящими в некоторых формах. BNNT, таким образом, занимают уникальное сладкое пятно: они предлагают почти чемпионские тепловые характеристики, полную электрическую изоляцию, механическую арматуру и высокоте

Последние исследования и будущие направления

Поле BNNT быстро движется. В 2023 году команда из Университета Райса продемонстрировала новый метод синтеза с использованием высокочастотной плазмы, которая производила BNNT со скоростью на два порядка быстрее, чем обычные дуговые методы, значительно снижая затраты. Другая группа из Токийского университета опубликовала работу по тепловым пастам на основе BNNT, которая достигла теплопроводности 15 Вт / м·К при фракции всего 5% объема, приписанной перколяционной сети, образованной высоким соотношением сторон нанотрубок. Исследователи из Университета Пенсильвании разработали масштабируемый процесс влажного вращения для создания непрерывных волокон BNNT, которые могут быть вплетены в ткани для личного управления тепловыми потоками - думаю, охлаждающие жилеты для работников электроники или пожарных.

Помимо немедленного управления тепловыми потоками, BNNT исследуются для применения в квантовых вычислениях (в качестве изоляционных подложек), защите от нейтронного излучения (борон имеет высокое поперечное сечение захвата нейтронов) и биомедицинских устройствах (в качестве радиомаркированных агентов визуализации). Сближение масштабируемого производства, улучшенных методов дисперсии и отраслевой тяги из секторов электромобилей и 5G предполагает, что BNNTs перейдет от нишевого исследовательского материала к коммерческой реальности в течение следующего десятилетия.

К числу ключевых областей будущего развития относятся:

• Синтез по потоку: Реакторы непрерывного потока и методы без катализаторов, которые дают бездефектные BNNT при низкой стоимости.
• Технология выравнивания: Техники ориентации BNNT в трехмерных структурах, позволяющие создавать настоящие «тепловые композиты по дизайну».
• Многофункциональные композиты: гибриды BNNT с графеном или CNTs для создания материалов, которые являются как теплопроводными, так и электрически полупроводниковыми или экранирующими.
• Стандартизированное тестирование: Установление согласованных протоколов измерений теплопроводности пленок и композитов BNNT для обеспечения справедливого сравнения между исследовательскими группами.