納米碳包裹氮化硼復(fù)合粉體、其制備方法及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微納米包裹粉體及其制備方法，特別涉及到一種納米碳包裹氮化硼復(fù)合粉體、其制備方法及應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對高效散熱技術(shù)的需求急劇膨脹，使得傳統(tǒng)材料承受著巨大的性能提升壓力?，F(xiàn)有散熱方式主要有熱傳導(dǎo)、對流和輻射散熱方式，但目前還是以熱傳導(dǎo)散熱為主，但是在受尺寸、空間和成本等要素限制而無法采用強(qiáng)制對流散熱時(shí)，僅通過熱傳導(dǎo)方式越來越不能滿足需求。尤其是電子器件大規(guī)?；臀⑿⌒突某绷髭厔?，探索新型散熱技術(shù)顯得尤其迫切，將熱傳導(dǎo)與輻射散熱結(jié)合的方式無疑是重要的解決途徑。
[0003]氮化硼和納米碳材料(例如碳納米管、石墨烯)都具有很高的熱導(dǎo)率，其粉體材料是熱管理材料的重要填料。尤其是碳納米管，其中理論熱導(dǎo)率高達(dá)5000 W/mK，且比表面積巨大，被譽(yù)為世界上最黑的物質(zhì)，對光線的折射率只有0.045%，吸收率高達(dá)99.5%以上，輻射系數(shù)接近絕對黑體的1.0。因此納米碳材料用作散熱填料可同時(shí)發(fā)揮其熱傳導(dǎo)散熱和紅外輻射散熱的功能，是高性能散熱材料中的優(yōu)秀填料。但是由于納米碳材料巨大的表面積和一維或二維結(jié)構(gòu)導(dǎo)致納米碳材料在基體材料中分散困難，且難以獲得高體積含量。且由于熱傳導(dǎo)機(jī)制的不同，研究發(fā)現(xiàn)納米碳材料的添加對熱導(dǎo)率的提高并不如對電導(dǎo)率的提高那么顯著，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人們所期望。
[0004]與此同時(shí)，微米級尺度的氮化硼是一種常用的導(dǎo)熱填料，其分散工藝要求遠(yuǎn)低于對納米碳材料的要求，且其大尺寸顆粒更利于形成有效導(dǎo)熱通道。但其紅外輻射率取偏低，無法充分發(fā)揮多種散熱模式的作用。
[0005]目前復(fù)合材料中納米碳材料和氮化硼僅作為單獨(dú)填料分別或者同時(shí)混合添加，例如C N 100590069 A公開了一種制備氮化硼包覆碳納米管或納米線及氮化硼納米管的方法，其采用金屬硼氫化物、氟硼酸鹽作硼源，銨鹽作氮源，并借助原位包裹工藝獲得了氮化硼-碳納米管復(fù)合材料，但是該復(fù)合材料系將納米碳材料包裹在材料內(nèi)部，使納米碳材料的紅外輻射特性無法良好發(fā)揮。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)新型散熱填料依然具有重要緊迫性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的之一在于提供一種納米碳材料包裹氮化硼復(fù)合粉體，其能有效克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足。
[0007]本發(fā)明的目的之二在于提供一種制備前述納米碳材料包裹氮化硼復(fù)合粉體的方法。
[0008]本發(fā)明的目的之三在于提供前述納米碳材料包裹氮化硼復(fù)合粉體在制備散熱材料或散熱裝置中的應(yīng)用。
[0009]為實(shí)現(xiàn)前述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
一種納米碳包裹氮化硼復(fù)合粉體，包含納米碳材料和氮化硼，其中納米碳材料均勻吸附包裹在氮化硼表面，形成復(fù)合包裹結(jié)構(gòu)。
[0010]優(yōu)選的，所述納米碳包裹氮化硼復(fù)合粉體包含0.l-30wt%納米碳材料和70-99.9￥丨％氮化硼。
[0011]進(jìn)一步的，所述納米碳材料包括碳納米管和/或石墨烯材料，所述碳納米管包括多壁碳納米管、少壁碳納米管和單壁碳納米管中的任意一種或兩種伊桑的組合，所述石墨烯材料包括石墨烯和/或石墨烯微片。
[0012]進(jìn)一步的，所述碳納米管直徑優(yōu)選為0.4 nm-100 nm,長度優(yōu)選為50 nm-25ym,所述石墨烯材料的厚度優(yōu)選為0.34 nm-10 nm,平均直徑優(yōu)選為500 nm-100 μ m。
[0013]進(jìn)一步的，所述氮化硼優(yōu)選采用平均粒徑在500 nm-150ym的六方晶系氮化硼顆粒。
[0014]一種納米碳包裹氮化硼復(fù)合粉體的制備方法，包括:將羧基化納米碳材料分散于水中，并在伴以攪拌的條件下，分批加入氨基功能化氮化硼粉體，充分?jǐn)嚢杌旌虾筮^濾，將濾出物真空干燥，獲得所述納米碳包裹氮化硼復(fù)合粉體。
[0015]在一典型實(shí)施方案中，該制備方法可以包括:將納米碳材料原料加入濃度為2-8M的硝酸溶液中，在100-140°C回流1-24 h，而后過濾，將濾出物洗滌至中性，獲得所述羧基化納米碳材料。
[0016]在一典型實(shí)施方案中，該制備方法還可以包括:包括:采用氧化石墨烯作為納米碳材料原料制備羧基化納米碳材料，并以所獲羧基化納米碳材料制備所述復(fù)合粉體，而后對所獲復(fù)合粉體進(jìn)行氧化石墨烯還原處理，其中采用的氧化石墨烯還原工藝包括高溫?zé)徇€原、微波還原、還原劑氣相或液相還原工藝，其中采用的還原劑包括氫氣、硼氫化鈉、水合肼、抗壞血酸、檸檬酸、氫碘酸或氫溴酸。
[0017]在一典型實(shí)施方案中，該制備方法可以包括:將氮化硼粉體分散在無水溶劑中，加入占氮化硼粉體重量1-30%的氨基偶聯(lián)劑，混合攪拌1-24 h，隨后在70-100°C攪拌30min-lh,過濾并收集濾出物,獲得所述氨基功能化氮化硼粉體。
[0018]進(jìn)一步的，所述無水溶劑可選自但不限于無水乙醇、正丁醇、異丙醇、甲苯、二甲苯、苯、氯仿、二氯甲烷和丙酮中的任意一種或者兩種以上的組合。
[0019]進(jìn)一步的，所述氨基偶聯(lián)劑可選自但不限于Y —氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、Y —氨丙基三甲氧基硅烷(KH540)、Ν-β-(氨乙基)-Y-氨丙基甲基二甲氧基硅烷(ΚΗ602)、Ν-β-(氨乙基)-Y-氨丙基三甲氧基硅烷(ΚΗ900)、Y氨丙基甲基二乙氧基硅烷(ΚΗ902)中的任意一種或者兩種以上的組合。
[0020]在一典型實(shí)施方案中，該制備方法可以包括:將羧基化納米碳材料分散于水中，并在伴以高速攪拌的條件下，逐漸加入氨基功能化氮化硼粉體，混合攪拌10min-2h后過濾，將濾出物在60-10(TC真空干燥，獲得所述納米碳包裹氮化硼復(fù)合粉體。
[0021]前述的高速攪拌，是指攪拌速度在500-2000轉(zhuǎn)/分鐘。
[0022]在一典型實(shí)施方案中，該制備方法可以包括如下步驟:
(1)將納米碳材料原料加入濃度為2-8M的硝酸溶液中，在100-140°c回流1_24 h后過濾，將濾出物洗滌至中性，收集備用；
(2)將氮化硼粉體分散在無水溶劑中，加入占氮化硼粉體重量1-30%的氨基偶聯(lián)劑，混合攪拌l_24h，隨后在70-100°C攪拌30min-lh，而后過濾，收集濾出物備用； (3)將步驟(I)所獲產(chǎn)物分散在水中，在高速攪拌中逐漸添加步驟(2)所獲產(chǎn)物，混合攪拌10min-2h后過濾，收集濾出物，并在60-100°C真空干燥l_6h，獲得納米碳材料包裹氮化硼復(fù)合粉體；
并且，前述步驟(2)- (3)被循環(huán)重復(fù)I次以上。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括:
(O改變納米碳材料在復(fù)合材料單獨(dú)添加的模式，以易于分散的微米級氮化硼作為載體，能夠極大克服納米碳材料添加體積含量低，難分散的不足；
(2)納米碳材料在氮化硼表面可發(fā)揮其紅外輻射率高的優(yōu)勢，進(jìn)而在散熱復(fù)合材料中形成熱傳導(dǎo)和輻射散熱兩種模式耦合的高效散熱形式；
(3)納米碳材料在氮化硼表面不僅不降低其熱導(dǎo)率，且能有效促進(jìn)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建；
(4)采用無機(jī)偶聯(lián)劑表面功能化，能夠有效避免有機(jī)聚合物殘留在界面處阻礙界面熱傳輸?shù)碾y題，從而保持良好導(dǎo)熱性能。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1所獲納米碳包裹氮化硼復(fù)合粉體的掃描電子顯微鏡照片； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例3所獲納米碳包裹氮化硼復(fù)合粉體的掃描電子顯微鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0025]本發(fā)明的一個(gè)方面提供了一種納米碳材料包裹氮化硼復(fù)合粉體，其以氮化硼粉體為載體，發(fā)揮導(dǎo)熱填料作用，并以納米碳材料包裹氮化硼粉體表面，發(fā)揮紅外輻射作用，因而具有多重散熱特性，其能有效克服單純納米碳材料添加分散困難、熱導(dǎo)率貢獻(xiàn)不足的問題，且其中納米碳材料還能有效補(bǔ)充導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，形成快速熱擴(kuò)散通道。
[0026]在一較為優(yōu)選的實(shí)施方案中，該納米碳包裹氮化硼復(fù)合粉體可以包含主要由納米碳材料均勻吸附包裹在氮化硼表面而形成的復(fù)合包裹結(jié)構(gòu)。其中，納米碳材料可采用前文所述的碳納米管、石墨烯材料等，氮化硼可采用前文所述的六方晶系氮化硼顆粒等。
[0027]優(yōu)選的，該納米碳包裹氮化硼復(fù)合粉體可以包含0.l-30wt%納米碳材料和70-99.9￥丨％氮化硼。
[0028]需要說明的是，其中述及的石墨烯微片(Graphene Nanoplatelets或GrapheneNanosheets)是指碳層數(shù)多于10層、厚度在5_100納米范圍內(nèi)的超薄的石墨烯層狀堆積體。
[0029]本發(fā)明的另一個(gè)方面提供了一種納米碳材料包裹氮化硼復(fù)合粉體的制備方法，其主要是將氮化硼粉體經(jīng)過氨基偶聯(lián)劑表面功能化，同時(shí)將納米碳材料經(jīng)過氧化羧基處理使其表面富含羧基、羥基及含氧基團(tuán)，隨后經(jīng)靜電吸附作用將納米碳材料吸附在氮化硼表面，制備得到所述納米碳材料包裹氮化硼復(fù)合粉體。
[0030]在一典型實(shí)施案例中，該制備方法可以包括如下步驟:
(1)納米碳材料功能化:將納米碳材料在2-8M濃硝酸溶液中，100-140°c回流1-24 h，經(jīng)過過濾、洗滌至中性，制備得到羧基化納米碳材料，收集備用；其中，納米碳材料可以采用各種類型的碳納米管和各種形式的石墨烯材料，例如，石墨烯、石墨烯微片等，并且石墨烯材料也可直接選用氧化石墨烯；
(2)將氮化硼粉體分散在無水溶劑中，加入占