美國東北大學Randall M. Erb教授課題組Advanced Materials：熱成型氮化硼基全陶瓷復合材料

一、導讀

? ? 隨著高密度電子產品的性能越來越強大，其對熱管理系統的要求也越來越高，如今的熱管理系統正處于一個創新的瓶頸期，特別是第五代蜂窩設備、遠程通信和計算機處理芯片，隨著組件尺寸的不斷減小和堆積密度的增加，其產生的熱通量接近在核反應堆中的能量水平。

? ? 目前較為有前途的熱管理系統是將聲子導體集成到陶瓷基復合材料（CMCs）中，在實現電絕緣的同時還能保持優異的導熱性和較高的機械強度和韌性，但這種制造方法有難以制造和加工成復雜、薄、輕的幾何形狀的缺點，這很大程度上限制了熱傳導。因此本文保留了應用于聚合物和金屬材料的熱成型技術，熱成型技術是通過加熱壓縮以成型配料和預成型薄片材料的技術，可生產復雜的殼狀結構，已經在全球工業領域實現了高生產率。對傳統的CMC制造方法做了改進，通過振動和流延成型工藝燒結制造的氮化硼復合材料具有高度定向的微觀結構，使得預制件在壓縮成型過程中具有粘性賓漢假塑性體的流動特征，這些燒結制成的全陶瓷預制件均為200μm薄的復雜部件。此外，還有新的工藝可用來生產定制的全陶瓷散熱器，壓合在印刷電路板上，熱壓成型電子產品散熱器件，相對于傳統散熱器件質量更輕且不會干擾射頻信號，電絕緣的同時，在室溫下有優異的機械強度和導熱性能。這為其他全陶瓷材料的制造提供了一種途徑，可以通過首先制造具有高度有序的各向異性微結構的預成型材料來熱成型。

二、成果掠影

? ? 近日，美國東北大學Randall M. Erb教授課題組報道了一種可以通過熱成型加工生產的結構復雜的氮化硼基全陶瓷復合材料（CMC）。以六方氮化硼(hBN)作為聲子陶瓷顆粒，以氧化硼作為陶瓷基體，借助氮原子和硼原子之間的共價鍵，使得原子結構形成了一種類似石墨烯的蜂窩狀結構，這種蜂窩狀的原子片被較弱的π鍵橫向束縛，增加了橫向上的聲子散射，以此決定了CMC的熱行為。為了使得CMC在加工過程中能實現特殊的取向和滲透，研究者采用振動輔助的鑄造方法，使得排列在聚合物基體中的hBN的體積分數高達60 vol%。研究者在500℃的烘箱中熱成型了這種厚度僅為0.68mm的全陶瓷散熱器，安裝在一塊印刷電路板上，其最高溫度為52.9℃，優于鋁制的散熱器。相關研究成果以“Thermoformable Boron Nitride Based All-Ceramics”為題發表在Advanced Materials上。

三、核心創新點

? ? 這種可熱成型加工的材料不僅能實現電絕緣還能在室溫下表現良好的機械強度和導熱性能，以這種材料制作的電子產品的散熱器件相比于傳統的金屬散熱器件具有更輕的質量，而且還不會干擾射頻信號。

四、數據概覽

圖1 ?a)氮化硼基全陶瓷復合材料的熱成型從預燒結的全陶瓷成型“坯”開始，這些“坯”用金屬模具預熱10 min，然后進行相對快速的沖壓工藝以易于零件拆卸??b)熱成型工藝具有可擴展的高通量生產能力??c)這些全陶瓷材料中使用的hBN聲子晶體相對于其他可成形材料具有在低密度下的良好導熱水平??d)一些印刷電路板上的熱管理處理器可用來演示熱成型氮化硼基全陶瓷從處理器散熱的性能變化過程??e)這些全陶瓷表現出類似珍珠層的微觀結構，具有顯著的強度(i)和應變（ii），在沒有微觀結構控制的情況下，其彈性是目前商用的氮化硼基全陶瓷（iii）的10-20倍?? 2022 Wiley-VCH GmbH

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圖2??從初始漿料到最終熱成型，加工過程總共分為五個步驟??a)首先，將12μm （54 vol%）的六方氮化硼（hBN）濃縮漿液作為CMC材料的核心成分被添加到光敏膠中，并沉積在基板上，漿料表現為Hershel-Buckley流體，振動可使其流動。隨后，漿料被刮涂成薄膜，剪切力作用可提高hBN的面內取向，提高層內對齊。隨后，利用紫外光將其固化成1毫米厚的樣品 ?b)樣品在干燥的大氣環境下燒結，在一小時內溫度上升至500℃，停留兩小時以燒掉粘結劑，然后在一小時內升溫到1050℃，停留6小時，在梯度升溫并燒結過程中，部分hBN被均勻氧化為B₂O_3??? 2022 Wiley-VCH GmbH

圖3 熱成型鑄造??a)在Tm=450℃的高溫下觀察到硼基全陶瓷預制件的變形，記錄10分鐘后發現其呈線性趨勢，在0.015N載荷附近出現了屈服點??b)設計了一種精細的特征模具來系統地表征這些材料在不同溫度下的成型機制。溫度的升高有利于形成較小的特征，最低可達200μm??c)這些硼基全陶瓷的熱形成過程包括機械接合（用綠色標記）、溝槽接觸（用藍色標記）和粘附接觸（用紅色標記）。在大約0.5kPa的負載壓力下，使用精細特征模具的實驗結果相圖表明了這些體系在溫度和特征尺寸上存在的位置。較小的特征可以在較高的溫度下更好地塑造，但在較高的溫度下更有可能會產生撕裂??d)分別使用帶和不帶圓角的特征模具觀察在相同步驟下的彎曲極限，在500℃的溫度下，即使是最劇烈的加工工藝，硼基全陶瓷也可以加工成型，這個樣品也可以在3D打印過程中提取模具表面特征 ?e)探究實現這種全陶瓷熱成型工藝的能力，借助拉伸沖床與全陶瓷預制件對齊的導向裝置通過沖孔沖壓。然后，將預制件就會在一定溫度下在小、中型和大型模具中成型 ?f)在500-700℃的溫度和不同模具尺寸下測量的最大拉伸比，在1.0附近的明顯上限與溫度和模具尺寸無關，這個極限也代表了深拉伸的閾值，很可能是薄片厚度、模具制備和模具工藝的函數，可進一步優化以找到這一工藝的極限。較低的成型溫度需要更高的壓力來熱成型，這與熔融B₂O₃基體中流動的活化能一致，在極限拉伸比以上，預制件會產生斷裂 ?? 2022 Wiley-VCH GmbH

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圖4 ?熱成型硼基全陶瓷散熱器的制造流程及性能??A)1)RPi?PCB的3D模型用于創建一個浮雕模具，將芯片封裝在其表面，浮雕的高度變化用顏色地圖顯示??2)浮雕模具均采用3D金屬打印，選擇鉻鎳鐵625來承受熱成形過程中的熱應力 3)預制板按照圖1所示的工藝，在500℃的烤箱中放置在負（下）和正（上）浮雕模具之間，停留10分鐘后，將正（上）浮雕模壓在預制件上，把模具從烘箱中取出來并冷卻，熱成型的全陶瓷材料就可被取出 4)用金屬絲鋸對熱成型的全陶瓷進行后處理，將其切割成最終測試所需要的形狀 ?B)實現了自定義RPi程序,通過內部熱電偶測量，使處理器過熱。將接收到的RPi與安裝了散熱器和使用壓配合熱成型全陶瓷散熱器的RPi進行了比較,壓配合熱成型全陶瓷散熱器比現有的金屬散熱器有更好的冷卻效果 ?C)當全陶瓷熱散熱器和金屬熱器的冷卻效率標準化時，全陶瓷熱熱散熱器在半對數圖尺度上比金屬熱器高出十個數量級 ?? 2022 Wiley-VCH GmbH

五、成果啟示

? ? 本文證明了使用傳統用于熱塑性塑料和金屬板的制造工藝熱成型基于hBN全陶瓷預制件的可行性，熱成型硼基全陶瓷比傳統的金屬散熱器有明顯的改進。通過對其熱成型過程的初步表征，對模具的表面、間隙、拉伸角度進行深入研究，可對其加工的參數進行不斷優化。

原文詳情:https://doi.org/10.1002/adma.202203939.

本文由meiweifengmaozi供稿