一种核壳结构的高导热粉体填料及制备方法与流程

本发明涉及功能材料，具体涉及一种核壳结构的高导热粉体填料及制备方法。

背景技术：

1、电子器件朝着微型化、集成化、高功率的发展方向对复合材料的导热性能提出了更高的要求，以满足焦耳热的及时扩散与转移，而开发新型的导热复合材料是解决此类问题的有效途径。但一般高分子材料都是热的不良导体，其导热系数一般都低于0.5 w/mk。为了提高复合材料的导热性能，各类陶瓷材料包括氧化铝、氮化硼、氮化铝、氮化硅、氧化镁、碳化硅、氧化锌等以及碳材料包括碳纤维、石墨、石墨烯、碳纳米管等作为导热填料被引入到高分子基质中制备复合材料。导热填料对导热复合材料的性能有决定性影响。六方氮化硼（ h-bn）被称为“白色石墨烯”，是一种具有类石墨烯结构的层状晶体，具有超高的热导率，理论热导率高达1700~2000 w/mk。其次， h-bn具有优良的绝缘性能，其禁带宽度为5.2 ev、击穿强度高达35 kv/mm，这使得 h-bn可在对绝缘和散热均有要求的工况下使用，是一种极具应用价值和前景的导热填料。

2、但研究发现， h-bn在高分子基体中的分散性和相容性较差，较大的比表面积会导致黏度急剧提升，难以实现高度填充，真实导热效果相对于理论值有一定差距。另外，常规的氮化硼呈现片状结构，本身具有很大的各向异性，大大限制了氮化硼/高分子导热复合材料在竖直方向上的导热。近年来，研究者希望通过将氮化硼制备成球形，在实现高填充的基础上提高复合材料在导热性能上的各向同性。中国专利cn201410182045.5采用模板剂和水热法结合高温煅烧制备球形氮化硼，粒径在0.2~1.5 μm，颗粒尺寸太小，难以作为主要导热填料来使用。中国专利cn202011128311.8采用等静压剥片、喷雾干燥和高温烧结的方式制备了高强度、高密度和低孔隙率的球形氮化硼，振实密度可达到0.7~1.0g/cm3。然而该方法获得的球形氮化硼仍面临着孔隙率较高、机械强度较低的问题，作为导热填料使用时，降低其填充量。同时，不致密的球形氮化硼也面临着热导率不高的问题，难以在实际使用过程中发挥高导热的特性。

技术实现思路

1、基于上述背景，本发明的目的是提供一种核壳结构的导热填料粉体，粉体以球形颗粒为内核，以氮化硼为壳层，利用球形颗粒内核作为核壳结构支撑体，氮化硼壳层作为高导热介质，以解决球形氮化硼面临的结构不致密、强度不高和导热性能不佳的问题；同时还提供该核壳结构的导热填料粉体的制备方法，该方法工艺简单，适合工业化生产。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种核壳结构的高导热粉体填料，所述高导热粉体填料的内核为球形颗粒，外壳为氮化硼层；球形颗粒经过预处理后，通过前驱体包覆和高温煅烧涂覆导热外壳。

4、优选地，所述的球形颗粒为氧化铝、氧化锌、氧化镁、石墨、氮化铝、氮化硅中的一种或多种混合，球形颗粒粒径为1~150μm。

5、优选地，所述前驱体为硼酸或三聚氰胺硼酸盐；所述前驱体与球形颗粒的质量比为1:1~100，三聚氰胺硼酸盐中三聚氰胺与硼酸的质量比为1:1~5，所包覆氮化硼的厚度在2nm~1.5μm。

6、上述核壳结构的高导热粉体填料的制备方法，包括以下步骤：

7、s1、原材料预处理：如果球形颗粒是氧化铝、氧化锌、氧化镁、氮化铝、氮化硅，将其于含氧气氛中加热处理或依次用丙酮、乙醇超声清洗除去表面杂质，得到干净的球形粉体；如果球形颗粒是石墨，将其在氧化环境下进行处理，氧化环境包括含氧气氛下和氧化性酸液中加热，经过洗涤干燥得到表面氧化的石墨粉体；

8、s2、表面包覆前驱体：将前驱体溶解于水中，加入到s1预处理后的球形颗粒中，通过高速搅拌结合加热处理进行均匀混合，经过干燥后得到前驱体包覆层；

9、s3、高温煅烧：将s2得到的颗粒在氮气、氨气或氨氮混合气中于高温炉中加热处理，经过高温煅烧在球形粉体表面形成致密的外壳；

10、s4、研磨处理：将s3得到的颗粒进行研磨粉碎和筛分分级处理；

11、s5、洗涤处理：将s4得到的颗粒依次用稀盐酸和纯净水进行洗涤处理，除去多余的残留物，经过干燥后完成高导热粉体填料的制备。

12、优选地，所述的s1中含氧气氛中加热处理的加热温度为200~700 ℃，加热时间0.5~5 h，所述含氧气氛为空气、氧气、氧气混合气以及臭氧气氛中的一种或多种。

13、优选地，所述的s1为氧化性酸液为硫酸、硝酸、高锰酸钾、重铬酸钾、高氯酸盐中的一种或多种；所述含氧气氛下和氧化性酸液中加热的加热温度为50~120℃。

14、优选地，所述的s2的水的温度为50~90℃，高速搅拌的温度为50~120℃。

15、优选地，所述的s3的加热温度为1400~2100℃，加热时间为1~8 h。

16、优选地，所述的s5中的稀盐酸浓度为0.05~0.5mol/l，纯净水洗涤温度为30~90℃。

17、本发明的有益效果

18、本发明以球形颗粒为原材料，通过前驱体转化法得到致密的氮化硼外壳，颗粒尺寸可根据原材料的尺寸进行有效控制，粉体球形度高，有利于提升填料的填充度。且氮化硼外壳厚度可根据前驱体的用量进行调整，其厚度在2nm~1.5μm范围内。

19、本发明原料廉价，制备工艺简单，生产成本低，便于工业化生产。所制备的核壳结构粉体使核体材料与壳层材料进行优势互补，利用核体提供致密球形结构，利用外层氮化硼的高导热特性，可显著提升复合材料的导热能力，从根本上解决了目前球形氮化硼结构不致密、易碎、导热性能不佳的问题，也解决了球形核体材料导热性能不高、结构不稳定、绝缘性能差等问题，为开发新型高性能导热材料奠定了原材料基础。

技术特征：

1.一种核壳结构的高导热粉体填料，其特征在于，所述高导热粉体填料的内核为球形颗粒，外壳为氮化硼层；球形颗粒经过预处理后，通过前驱体包覆和高温煅烧涂覆导热外壳。

2.根据权利要求1所述的核壳结构的高导热粉体填料，其特征在于，所述的球形颗粒为氧化铝、氧化锌、氧化镁、石墨、氮化铝、氮化硅中的一种或多种混合，球形颗粒粒径为1~150μm。

3.据权利要求1所述的核壳结构的高导热粉体填料，其特征在于，所述前驱体为硼酸或三聚氰胺硼酸盐；所述前驱体与球形颗粒的质量比为1:1~100，三聚氰胺硼酸盐中三聚氰胺与硼酸的质量比为1:1~5，所包覆氮化硼的厚度在2nm~1.5μm。

4.一种权利要求1所述的核壳结构的高导热粉体填料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的核壳结构的高导热粉体填料的制备方法，其特征在于，所述的s1中含氧气氛中加热处理的加热温度为200~700 ℃，加热时间0.5~5 h，所述含氧气氛为空气、氧气、氧气混合气以及臭氧气氛中的一种或多种。

6.根据权利要求4所述的核壳结构的高导热粉体填料的制备方法，其特征在于，所述的s1为氧化性酸液为硫酸、硝酸、高锰酸钾、重铬酸钾、高氯酸盐中的一种或多种；所述含氧气氛下和氧化性酸液中加热的加热温度为50~120℃。

7.根据权利要求4所述的核壳结构的高导热粉体填料的制备方法，其特征在于，所述的s2的水的温度为50~90℃，高速搅拌的温度为50~120℃。

8.根据权利要求4所述的核壳结构的高导热粉体填料的制备方法，其特征在于，所述的s3的加热温度为1400~2100℃，加热时间为1~8 h。

9.根据权利要求5所述的核壳结构的高导热粉体填料的制备方法，其特征在于，所述的s5中的稀盐酸浓度为0.05~0.5mol/l，纯净水洗涤温度为30~90℃。

技术总结
本发明涉及功能材料技术领域，具体涉及一种核壳结构的高导热粉体填料及制备方法。粉体以球形颗粒为内核，以氮化硼为壳层，利用球形颗粒内核作为核壳结构支撑体，氮化硼壳层作为高导热介质，以解决球形氮化硼面临的结构不致密、强度不高和导热性能不佳的问题；同时还提供该核壳结构的导热填料粉体的制备方法，该方法工艺简单，适合工业化生产。也解决了球形核体材料导热性能不高、结构不稳定、绝缘性能差等问题，为开发新型高性能导热材料奠定了原材料基础。

技术研发人员：韩飞,王彩娟,韩朗
受保护的技术使用者：湖南碳导新材料科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14