可热成型为复杂结构的氮化硼基全陶瓷复合材料

近日，美国东北大学Randall M. Erb教授课题组在Advanced Materials 杂志上发表论文，报道了一种可以通过热成型为复杂结构的氮化硼基全陶瓷复合材料（ceramic matrix composite, CMC）。这种可热成形加工的材料在实现电绝缘的同时，室温下还表现出优异的机械强度和导热性能。用这种材料热压成型的电子产品散热器件，相比于传统金属散热器件质量更轻且不会干扰射频信号。这种材料用于高密度电子产品的热管理系统，或可改变下一代电子产品的设计和构造。

从初始浆料到最终热成型，加工过程总共分为五个步骤。首先，六方氮化硼（hBN）颗粒作为CMC材料的核心成分被添加到光敏胶中，并沉积在基板上。浆料表现为Hershel-Buckley流体，振动可使其流动。随后，浆料被刮涂成薄膜，剪切力作用可提高hBN的面内取向，提高层内对齐。随后，利用紫外光将其固化。在梯度升温并烧结过程中，部分hBN被均匀氧化为B2O3。

有趣的是，这种CMC材料加热到450 °C以上时，氧化硼（B2O3）会熔化，使材料再次表现出粘性和可塑性，通过施加足够的热量（500~700 °C）、压力和成型时间（＞10 min），就可以实现结构件的热成型加工，甚至制成复杂的人脸模型（下图a）。除了便于加工，CMC材料具有较高的导热率，垂直平面的热导率为3.52±0.67 W mK−1，由于平面内hBN的剪切取向，面内热导率可达12.8 W mK−1。尽管氧化硼的引入使材料的热导率低于纯hBN的理论值，但与其他可热成型的材料相比，基于hBN的CMC材料密度较低，可用来改善电子设备的散热性能。

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