纳米碳包裹氮化硼复合粉体、其制备方法及应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微纳米包裹粉体及其制备方法，特别涉及到一种纳米碳包裹氮化硼复合粉体、其制备方法及应用。
【背景技术】
[0002]随着国民经济的快速发展，对高效散热技术的需求急剧膨胀，使得传统材料承受着巨大的性能提升压力。现有散热方式主要有热传导、对流和辐射散热方式，但目前还是以热传导散热为主，但是在受尺寸、空间和成本等要素限制而无法采用强制对流散热时，仅通过热传导方式越来越不能满足需求。尤其是电子器件大规模化和微小型化的潮流趋势，探索新型散热技术显得尤其迫切，将热传导与辐射散热结合的方式无疑是重要的解决途径。
[0003]氮化硼和纳米碳材料(例如碳纳米管、石墨烯)都具有很高的热导率，其粉体材料是热管理材料的重要填料。尤其是碳纳米管，其中理论热导率高达5000 W/mK，且比表面积巨大，被誉为世界上最黑的物质，对光线的折射率只有0.045%，吸收率高达99.5%以上，辐射系数接近绝对黑体的1.0。因此纳米碳材料用作散热填料可同时发挥其热传导散热和红外辐射散热的功能，是高性能散热材料中的优秀填料。但是由于纳米碳材料巨大的表面积和一维或二维结构导致纳米碳材料在基体材料中分散困难，且难以获得高体积含量。且由于热传导机制的不同，研究发现纳米碳材料的添加对热导率的提高并不如对电导率的提高那么显著，远远低于人们所期望。
[0004]与此同时，微米级尺度的氮化硼是一种常用的导热填料，其分散工艺要求远低于对纳米碳材料的要求，且其大尺寸颗粒更利于形成有效导热通道。但其红外辐射率取偏低，无法充分发挥多种散热模式的作用。
[0005]目前复合材料中纳米碳材料和氮化硼仅作为单独填料分别或者同时混合添加，例如C N 100590069 A公开了一种制备氮化硼包覆碳纳米管或纳米线及氮化硼纳米管的方法，其采用金属硼氢化物、氟硼酸盐作硼源，铵盐作氮源，并借助原位包裹工艺获得了氮化硼-碳纳米管复合材料，但是该复合材料系将纳米碳材料包裹在材料内部，使纳米碳材料的红外辐射特性无法良好发挥。因此，设计开发新型散热填料依然具有重要紧迫性。
【发明内容】
[0006]本发明的目的之一在于提供一种纳米碳材料包裹氮化硼复合粉体，其能有效克服现有技术中的不足。
[0007]本发明的目的之二在于提供一种制备前述纳米碳材料包裹氮化硼复合粉体的方法。
[0008]本发明的目的之三在于提供前述纳米碳材料包裹氮化硼复合粉体在制备散热材料或散热装置中的应用。
[0009]为实现前述发明目的，本发明采用了如下技术方案:
一种纳米碳包裹氮化硼复合粉体，包含纳米碳材料和氮化硼，其中纳米碳材料均匀吸附包裹在氮化硼表面，形成复合包裹结构。
[0010]优选的，所述纳米碳包裹氮化硼复合粉体包含0.l-30wt%纳米碳材料和70-99.9￥丨％氮化硼。
[0011]进一步的，所述纳米碳材料包括碳纳米管和/或石墨烯材料，所述碳纳米管包括多壁碳纳米管、少壁碳纳米管和单壁碳纳米管中的任意一种或两种伊桑的组合，所述石墨烯材料包括石墨烯和/或石墨烯微片。
[0012]进一步的，所述碳纳米管直径优选为0.4 nm-100 nm,长度优选为50 nm-25ym,所述石墨烯材料的厚度优选为0.34 nm-10 nm,平均直径优选为500 nm-100 μ m。
[0013]进一步的，所述氮化硼优选采用平均粒径在500 nm-150ym的六方晶系氮化硼颗粒。
[0014]一种纳米碳包裹氮化硼复合粉体的制备方法，包括:将羧基化纳米碳材料分散于水中，并在伴以搅拌的条件下，分批加入氨基功能化氮化硼粉体，充分搅拌混合后过滤，将滤出物真空干燥，获得所述纳米碳包裹氮化硼复合粉体。
[0015]在一典型实施方案中，该制备方法可以包括:将纳米碳材料原料加入浓度为2-8M的硝酸溶液中，在100-140°C回流1-24 h，而后过滤，将滤出物洗涤至中性，获得所述羧基化纳米碳材料。
[0016]在一典型实施方案中，该制备方法还可以包括:包括:采用氧化石墨烯作为纳米碳材料原料制备羧基化纳米碳材料，并以所获羧基化纳米碳材料制备所述复合粉体，而后对所获复合粉体进行氧化石墨烯还原处理，其中采用的氧化石墨烯还原工艺包括高温热还原、微波还原、还原剂气相或液相还原工艺，其中采用的还原剂包括氢气、硼氢化钠、水合肼、抗坏血酸、柠檬酸、氢碘酸或氢溴酸。
[0017]在一典型实施方案中，该制备方法可以包括:将氮化硼粉体分散在无水溶剂中，加入占氮化硼粉体重量1-30%的氨基偶联剂，混合搅拌1-24 h，随后在70-100°C搅拌30min-lh,过滤并收集滤出物,获得所述氨基功能化氮化硼粉体。
[0018]进一步的，所述无水溶剂可选自但不限于无水乙醇、正丁醇、异丙醇、甲苯、二甲苯、苯、氯仿、二氯甲烷和丙酮中的任意一种或者两种以上的组合。
[0019]进一步的，所述氨基偶联剂可选自但不限于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)中的任意一种或者两种以上的组合。
[0020]在一典型实施方案中，该制备方法可以包括:将羧基化纳米碳材料分散于水中，并在伴以高速搅拌的条件下，逐渐加入氨基功能化氮化硼粉体，混合搅拌10min-2h后过滤，将滤出物在60-10(TC真空干燥，获得所述纳米碳包裹氮化硼复合粉体。
[0021]前述的高速搅拌，是指搅拌速度在500-2000转/分钟。
[0022]在一典型实施方案中，该制备方法可以包括如下步骤:
(1)将纳米碳材料原料加入浓度为2-8M的硝酸溶液中，在100-140°c回流1_24 h后过滤，将滤出物洗涤至中性，收集备用；
(2)将氮化硼粉体分散在无水溶剂中，加入占氮化硼粉体重量1-30%的氨基偶联剂，混合搅拌l_24h，随后在70-100°C搅拌30min-lh，而后过滤，收集滤出物备用； (3)将步骤(I)所获产物分散在水中，在高速搅拌中逐渐添加步骤(2)所获产物，混合搅拌10min-2h后过滤，收集滤出物，并在60-100°C真空干燥l_6h，获得纳米碳材料包裹氮化硼复合粉体；
并且，前述步骤(2)- (3)被循环重复I次以上。
[0023]与现有技术相比，本发明的优点包括:
(O改变纳米碳材料在复合材料单独添加的模式，以易于分散的微米级氮化硼作为载体，能够极大克服纳米碳材料添加体积含量低，难分散的不足；
(2)纳米碳材料在氮化硼表面可发挥其红外辐射率高的优势，进而在散热复合材料中形成热传导和辐射散热两种模式耦合的高效散热形式；
(3)纳米碳材料在氮化硼表面不仅不降低其热导率，且能有效促进导热网络的构建；
(4)采用无机偶联剂表面功能化，能够有效避免有机聚合物残留在界面处阻碍界面热传输的难题，从而保持良好导热性能。
【附图说明】
[0024]图1是本发明实施例1所获纳米碳包裹氮化硼复合粉体的扫描电子显微镜照片； 图2是本发明实施例3所获纳米碳包裹氮化硼复合粉体的扫描电子显微镜照片。
【具体实施方式】
[0025]本发明的一个方面提供了一种纳米碳材料包裹氮化硼复合粉体，其以氮化硼粉体为载体，发挥导热填料作用，并以纳米碳材料包裹氮化硼粉体表面，发挥红外辐射作用，因而具有多重散热特性，其能有效克服单纯纳米碳材料添加分散困难、热导率贡献不足的问题，且其中纳米碳材料还能有效补充导热网络，形成快速热扩散通道。
[0026]在一较为优选的实施方案中，该纳米碳包裹氮化硼复合粉体可以包含主要由纳米碳材料均匀吸附包裹在氮化硼表面而形成的复合包裹结构。其中，纳米碳材料可采用前文所述的碳纳米管、石墨烯材料等，氮化硼可采用前文所述的六方晶系氮化硼颗粒等。
[0027]优选的，该纳米碳包裹氮化硼复合粉体可以包含0.l-30wt%纳米碳材料和70-99.9￥丨％氮化硼。
[0028]需要说明的是，其中述及的石墨烯微片(Graphene Nanoplatelets或GrapheneNanosheets)是指碳层数多于10层、厚度在5_100纳米范围内的超薄的石墨烯层状堆积体。
[0029]本发明的另一个方面提供了一种纳米碳材料包裹氮化硼复合粉体的制备方法，其主要是将氮化硼粉体经过氨基偶联剂表面功能化，同时将纳米碳材料经过氧化羧基处理使其表面富含羧基、羟基及含氧基团，随后经静电吸附作用将纳米碳材料吸附在氮化硼表面，制备得到所述纳米碳材料包裹氮化硼复合粉体。
[0030]在一典型实施案例中，该制备方法可以包括如下步骤:
(1)纳米碳材料功能化:将纳米碳材料在2-8M浓硝酸溶液中，100-140°c回流1-24 h，经过过滤、洗涤至中性，制备得到羧基化纳米碳材料，收集备用；其中，纳米碳材料可以采用各种类型的碳纳米管和各种形式的石墨烯材料，例如，石墨烯、石墨烯微片等，并且石墨烯材料也可直接选用氧化石墨烯；
(2)将氮化硼粉体分散在无水溶剂中，加入占