三维Si3N4-BN陶瓷框架的原位燃烧合成以增强环氧复合材料导热性

doi:10.7503/cjcu20250360

摘要/Abstract

摘要：

提出了一种基于原位燃烧合成的策略, 以低成本的Si, B₂O₃和α-Si₃N₄粉末为反应前驱体, 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为造孔剂, 通过一步法快速制备出孔隙率可控的三维结构的Si₃N₄-BN陶瓷(3D-SNBN)框架. 随后, 采用真空抽滤法将环氧树脂(EP)浸渍填充至该多孔骨架中, 构建了高性能的3D-SNBN/EP复合材料. 实验结果表明, 即使在3D-SNBN框架负载量(体积分数)仅为57.9%的条件下, 复合材料的热导率仍高达6.4 W·m^-1·K^-1, 比纯环氧树脂(0.22 W·m^-1·K^-1)和传统采用随机分散Si₃N₄-BN填料的复合材料(0.86 W·m^-1·K^-1)分别提升了2809%和644%. 此外, 该复合材料在加热与冷却过程中均表现出优异的动态热响应行为, 展现出快速的升温与散热能力, 进一步验证了其在实际热管理场景中的可靠性与应用潜力. 这种高性能、可扩展的导热复合材料体系, 为高导热聚合物基材料的设计与制备提供了普适性强、工艺简便的技术路径.

关键词: 高热导率, 聚合物复合材料, 多孔Si₃N₄-BN陶瓷, 原位燃烧合成, 热管理

Abstract:

Accompanied with the great progress on highly integrated soft electric devices consistent with Moore’s law， the demand for heat management with high efficiency is increasing， which makes the polymer-based heat dissipating materials attract intensive interest from both scientific and industrial communities. Therefore， to meet the demand， the construction of thermal conduction network in the polymer matrix is essential to improve the thermal conductivity of a polymer composites. Herein， a three-dimensional Si₃N₄-BN ceramic（3D-SNBN） framework was effectively prepared within one step in-situ combustion synthesis using low-cost Si， B₂O₃ and α-Si₃N₄as raw materials and polymethylmethacrylate（PMMA） as pore-forming agent. High-performance epoxy composites（SNBN/EP） were then prepared by impregnating epoxy resin（EP） into the 3D-SNBN framework. The thermal conductivity of the composites with a 3D-SNBN framework loading of 57.9%（volume fraction） was as high as 6.4 W·m^-1·K^-1， which exhibited a significant enhancement of 2809% and 644% compared with pure EP（0.22 W·m^-1·K^-1） and epoxy composites with conventional randomly dispersed Si₃N₄-BN powders（0.86 W·m^-1·K^-1）. In addition， the composites exhibited outstanding thermal behaviors during heating and cooling processes accordingly， which further demonstrates their reliability and wide application potential in industrial heat management. The discovery not only provides a feasible material candidate for heat transfer in the future， but also offers a general strategy in high thermal conductive polymer matrix design and preparation.

Key words: High thermal conductivity, Polymer composites, Porous Si₃N₄-BN ceramic, In?situ combustion synthesis, Heat management

中图分类号:

O647

TrendMD:

曹欣鹏, 孟晴, 戴浩宇, 江雷. 三维Si₃N₄-BN陶瓷框架的原位燃烧合成以增强环氧复合材料导热性. 高等学校化学学报, 2026, 47(3): 20250360.

CAO Xinpeng, MENG Qing, DAI Haoyu, JIANG Lei. Three-dimensional Si₃N₄-BN Ceramic Framework Prepared by in-situ Combustion Synthesis for Thermal Conductivity Enhancement of Epoxy Composites. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(3): 20250360.

图/表 5

Table 1 Composition of various 3D-SNBN framework precursors with different PMMA additions

Sample	w（Si）（%）	w（B₂O₃）（%）	w（Si₂N₄）（%）	w（Y₂O₃）（%）	w（PMMA）（%）
S1	40	15.0	40	5.0	0
S2	36	13.5	36	4.5	10
S3	28	10.5	28	3.5	30
S4	20	7.5	20	2.5	50

Fig.1 Phase and matrix structure of 3D⁃SNBN frameworks prepared by in⁃situ combustion（A） XRD patterns of 3D-SNBN frameworks prepared by combustion synthesis with different PMMA additions；（B） relationship between the porosity of 3D-SNBN frameworks with different PMMA additions；（C—J） SEM images and magnified images of 3D-SNBN frameworks with 0%（C，D）， 10%（E，F）， 30%（G，H） and 50%（I，J） PMMA contents， respectively.

Fig.2 SEM images(A, B, D, E, G, H, J, K), EDS mapping(C, F, I, L) of 3D⁃SNBN/EP compositeswith different PMMA contents characterized by SEM-EDS（A， B， C1—C4） 0% PMMA；（D， E， F1—F4） 10 % PMMA；（G， H， I1—I4） 30% PMMA；（J， K， L1—L4） 50% PMMA.

Fig.3 Thermal conductivity tests of different 3D⁃SNBN/EP composites（A） Thermal conductivity of 3D-SNBN/EP composites as a function of the filler content， where the “thermal conductivity enhancement” refers to the increasing ratio of thermal conductivity of samples with respect to that of pure EP（0.22 W·m-1·K-1）；（B） thermal conductivity of SNBN/EP composites fabricated by different methods；（C） comparison of thermal conductivity of 57.9%（volume fraction） 3D-SNBN/EP composite in this work with other ceramic framework/epoxy composites［24，34~40］；（D） thermal conductivity vs. temperature for the 74% （volume fraction） 3D-SNBN/EP composite.

Fig.4 Thermal behavior of epoxy resin and 3D⁃SNBN/EP composites with different 3D⁃SNBN contents in heating and cooling process（A， B） IR thermal images and the corresponding surface temperature of samples in the heating process， th refers to heating time；（C， D） surface temperature and IR thermal images of samples in the cooling process， tc refers to cooling time.

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三维Si₃N₄-BN陶瓷框架的原位燃烧合成以增强环氧复合材料导热性

Three-dimensional Si₃N₄-BN Ceramic Framework Prepared by in-situ Combustion Synthesis for Thermal Conductivity Enhancement of Epoxy Composites

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