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

doi:10.7503/cjcu20250360

Abstract

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

CLC Number:

O647

TrendMD:

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[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(3): 20250360.

Figures/Tables 5

References 52

[1]	Zhang Y.， Lv Q.， Wang H.， Zhao S.， Xiong Q.， Lv R.， Science， 2022， 378（6616）， 169—175
[2]	Sun J. W.， Xiong Y. W.， Jia H. Y.， Han L. X.， Ye W.， Sun L. T.， Sci. Bull. 2024， 69（11）， 1716—1727
	孙佳惟，熊雨薇，贾海洋，韩龙祥，叶雯，孙立涛. 科学通报， 2024， 69（11）， 1716—1727
[3]	Wang S. B.， Li P. M.， Wang H.， Feng Y.， Li H. L.， Appl. Energy， 2024， 371， 123729
[4]	Asim M.， Baig T.， Siddiqui F. R.， Khan S.， Khan S. A.， Babar H.， Said Z.， Zhao J. Y.， Abidi I. H.， J. Energy Storage， 2025， 111， 115344
[5]	Zhou S. R.， Liu H. J.， Ren J.， Tan J. H.， Ye Y.， Zhang G. F.， Li K.， Zheng H.， Liu S.， Appl. Phys. Lett.， 2023， 123（20）， 203901
[6]	Zhao J. Y.， Wang C. B.， Wang C. Y.， Zhang K.， Cong B.， Yang L.， Zhao X. G.， Chen C. H.， Chem. J. Chinese Universities， 2022， 43（4）， 20210800
	赵君禹，王春博，王成杨，张克，丛冰，杨岚，赵晓刚，陈春海. 高等学校化学学报， 2022， 43（4）， 20210800
[7]	Pan Z. L.， Lu G. Y.， Li X.， McBride J. R.， Juneja R.， Long M. C.， Lindsay L.， Caldwell J. D.， Li D. Y.， Nature， 2023， 623（7986）， 307—312
[8]	Du Y. K.， Shi Z. X.， Dong S.， Jin H.， Ke X.， Zhao P.， Jiang B. B.， You F.， Chin. J. Polym. Sci.， 2024， 42（3）， 277—291
[9]	Dong X. D.， Wan B. Q.， Zheng M. S.， Huang L. B.， Feng Y.， Yao R. F.， Gao J. H.， Zhao Q. L.， Zha J. W.， Adv. Mater.， 2024， 36（7）， 2307804
[10]	Wen Y. F.， Chen C.， Ye Y. S.， Xue Z. G.， Liu H. Y.， Zhou X. P.， Zhang Y.， Li D. Q.， Xie X. L.， Mai Y. W.， Adv. Mater.， 2022， 34（52）， 2201023
[11]	Zhou X. F.， Min P.， Liu Y.， Jin M.， Yu Z. Z.， Zhang H. B.， Science， 2024， 385（6714）， 1205—1210
[12]	Cai Z. W.， Thirunavukkarasu N.， Diao X. F.， Wang H. R.， Wu L. X.， Zhang C.， Wang， J. L.， Polymers， 2022， 14（20）， 4297
[13]	Feldman M.， Barrios⁃Capuchino J. J.， Cruguel H.， Royer S.， Abadie C.， Fournier D.， Lhuillier E.， Ordonez⁃Miranda J.， Lacaze E.， Schulz F.， Utterback J.K.， Adv. Funct. Mater.， 2025， 35（43）， 2504949
[14]	Whalley L. D.， Skelton J. M.， Frost J. M.， Walsh A.， Phys. Rev. B， 2016， 94（22）， 220301
[15]	Xing L.， Chen Y. B.， Yang Y. J.， He C. C.， Wu T.， Xia H. X.， Shen K. J.， Tong G. X.， Wu W. H.， Chem. Eng. J.， 2023， 469， 143952
[16]	Li C. J.， Yang L.， Su J. L.， Zhang J. P.， Cao J. K.， Li X. D.， He G.， Hu Z. G.， J. Alloys Compd.， 2025， 1034， 181445
[17]	Liu G.， Xu P. F.， Luo Z. Z.， Zhang L.， Luo Y. F.， Zhang P. K.， Zhu M. M.， Wu J.， Appl. Phys. Rev.， 2025， 12（2）， 021316
[18]	Chen X.， Wei C.， Ding X.， Chen J. W.， Chang X. H.， Liu Z. H.， Zhu Y. T.， Compos. Commun.， 2025， 53， 102251
[19]	Cao Y. J.， Zhang Y. H.， Liu Y. S.， Cao L. Y.， Shao X. J.， Wang J.， J. Am. Ceram. Soc.， 2023， 106（11）， 6937—6950
[20]	Yi G. Q.， Li J. L.， Henderson L. C.， Lei W. W.， Zhu B. Y.， Du L.， Zhao S. F.， Compos. Commun.， 2024， 51， 102090
[21]	Chen H. Z.， Wang Y. Z.， Zhang W. X.， Nan Y.， Yue X. Y.， Zhang Y. F.， Fan H. L.， Mater. Today Commun.， 2023， 37， 107300
[22]	Hu F.， Wang Z. H.， Xie Z. P.， Ceram. Int.， 2025， 51（27）， 53442—53450
[23]	Wang J. L.， Lu D. P.， Xuan W. P.， Ji Y. C.， Chen R. Q.， Li S. F.， Li W. B.， Chen W. Z.， Tang S. L.， Zheng G. Y.， Long F.， J. Adv. Ceram.， 2024， 13（4）， 496—506
[24]	Zhou Y.， Hyuga H.， Kusano D.， Yoshizawa Y. I.， Hirao K.， Adv. Mater.， 2011， 23（39）， 4563—4567
[25]	Zhang Y.， Zhang S. Y.， Lan D.， Yao J. H.， Gao Z. G.， Wu G. L.， Jiao J.， Small， 2025， 21（20）， 2500581
[26]	He M. K.， Zhang L.， Ruan K. P.， Zhang J. L.， Zhang H. T.， Lv P.， Guo Y. Q.， Shi X. T.， Guo H.， Kong J.， Gu J. W.， Nano⁃Micro Lett.， 2025， 17（1）， 134
[27]	Lu X. H.， Liu J.， Shu C.， Zhang S. C.， Zhao H. Y.， Zhang Y.， Wang Q. L.， Yu Z. Z.， Li X. F.， Adv. Funct. Mater.， 2025， 35（11）， 2417324
[28]	Zhang Y. F.， Jiang Z.， Qin Y.， Ye C.， Liu J. S.， Ouyang T.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2023， 15（41）， 48235—48245
[29]	Han L. P.， Liu L.， Chen T.， Qian Z.， Li J. P.， Zuo C.， Gan G. Y， Polymer， 2024， 308， 127382
[30]	Ye M. T.， Xiang D. P.， Gui Z. Y.， Ceram. Int.， 2024， 50（24）， 53780—53789.
[31]	Xie F.， Wang Y. F.， Zhuo L. H.， Qin P. L.， Ning D. D.， Wang D. N.， Lu Z. Q.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（3）， 582—590
	谢璠，王亚芳，卓龙海，秦盼亮，宁逗逗，王丹妮，陆赵情. 高等学校化学学报 2020， 41（3）， 582—590
[32]	Choi H. S.， Park J. H.， Lee J. H.， Polymers， 2023， 15（14）， 3083
[33]	Li Z. Y.， Yang C. G.， Yan K.， Xia M.， Yan Z.， Wang D.， Wang W. W.， Soft Matter， 2024， 20（5）， 1089—1099
[34]	Li Y.， Yue H.， Lu J.， Zhao Q.， Liu S.， Yin W.， Han J.， Guo T.， Zhao H.， Guo L.， Adv. Mater.， 2025， 37（51）， 2503537
[35]	Wang S.， Tan L.， Yang Z.， Zhao H.， Guo L.， Adv. Mater.， 2024， 36（29）， 2401883
[36]	Lu J.， Deng J.， Wei Y.， Yang X.， Zhao H.， Zhao Q.， Liu S.， Li F.， Li Y.， Deng X.， Nat. Commun.， 2024， 15（1）， 10182
[37]	Dutto A.， Kan A.， Saraw Z.， Maillard A.， Zindel D.， Studart A. R.， Adv. Mater.， 2025， 37（5）， 2412555
[38]	Li Y.， Liu S.， Zhao H.， Guo L.， Chem. Res. Chinese Universities， 2022， 38（3）， 763—768
[39]	She W. T.， Liu Y. S.， Liu Y. S.， Cao Y. J.， Sun X. K.， Du Y. X. A Ceram. Int.， 2025， 51（20）， 30573—30582
[40]	Montazeri， M.， Masoudpanah S. M.， Sarkar T.， Aslibeiki B.， Mater. Chem. Phys.， 2024， 322， 129608
[41]	Chen S. L.， Wang L.， He G.， Shao G.， Wang H. L.， Li J. T.， Wang C. A.， J. Eur. Ceram. Soc.， 2022， 42（12）， 4835—4845
[42]	Zhou H. J.， Deng H.， Zhang L.， Fu Q.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2017， 9（34）， 29071—29081
[43]	Wang J.， Ren P. G.， Ren F.， Zhu G. J.， Sun A. Y.， You C. Y.， J. Mater. Sci.， 2021， 56（13）， 7951—7965
[44]	Meng Q.， He G.， Yang Z. C.， Li J. T.， J. Am. Ceram. Soc.， 2024， 107（12）， 7966—7972
[45]	Zheng Z. Y.， Gu X. Y.， Liu Y.， Xin T.， Zeng J. H.， Wen J. L.， Zhang H. B.， Wu W. J.， Wan Y. J.， Zhu P. L.， Sun R.， J. Mater. Chem. A， 2025， 13（29）， 23643—23654
[46]	Wu L. Q.， Xiang D. P.， Ceram. Int.， 2023， 49（4）， 5707—5719
[47]	Cho J.， Su P. C.， Kim J.， Appl. Mater. Today， 2024， 37， 102149
[48]	Zhao Y. H.， Lu X. X.， Wang J. K.， Qi B. B.， Hu Z. X.， Hu Y. G.， Zeng G. X.， Lin Z. Q.， Sun R.， Compos. Commun.， 2025， 56， 102353
[49]	Yao J.， Xiang D. P.， Ceram. Int.， 2024， 50（18）， 33725—33735
[50]	Zhao T.， Zhao Y. L.， Miao Z. C.， Geng Z.， Zhou Z. R.， Wang T.， Huang R. J.， Li L. F.， Mater. Today Sustain.， 2024， 25， 100628
[51]	Liu H. B.， Liu Z. D.， Cheng Z. B.， Wang W.， Carbon Lett.， 2025， 35（4）， 1769—1776
[52]	Yang X. H.， Wang N.， Li X.， Xu T. L.， Song N.， Qian G.， Ding P.， Macromol. Rapid Commun.， 2024， 45（22）， 2400527

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

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

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

RichHTML

PDF (PC)

Knowledge

Abstract

Cite this article

share this article

Figures/Tables 5

References 52

Related Articles 15

Recommended Articles

Metrics

Comments

[1]	ZHAO Wenyu, XU Qing, MENG Fanyu, SUN Xiaoyun, ZHAO Qiduo, Zhang Wenxiang, YUAN Xiaoling. Constructing Biomass-based Hierarchical Porous Carbon Materials Applied for Adsorption Removal of Phenol from Aqueous Solution [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(3): 20250318.
[2]	GUO Zhuohuan, WANG Dayang. Thermodynamic Correlation Between Surface Carboxyl Configuration and Wettability [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(1): 20250303.
[3]	NIE Chuanqi, DONG Fuyao, GUO Ziwei, CHENG Long, YANG Nailiang, LIU Kesong, YU Cunming, JIANG Lei. Preparation and Performance of SiO₂/PMMA Superhydrophobic Transparent Composite Coatings [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(1): 20250346.
[4]	WU Yanru, LI Anming², GAO Meihua², ZHUANG Wenchang. Formation and Properties of Sodium Dodecyl Sulfonate Vesicles in n-Propanol/Water Mixed Solutions [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(11): 20250210.
[5]	HU Xiaojing, XIE Jingjing, ZHANG Yuxin, ZHANG Yuhan, HUANG Xiaohui. Preparation of MIL-101（Cr）-based Membranes for Removing Diclofenac Sodium [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(10): 20250153.
[6]	HU Yuteng, SANG Lixia, DU Chunxu. Interfacial Performances of MoS₂-H₂O Depended on Plasmonic Metal and Its Localized Thermal Effect [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(5): 20240569.
[7]	BAI Xiaowei, TANG Xuan, WANG Yating, ZHANG Feifei, LI Jinping, YANG Jiangfeng. K⁺ Regulation of MER Zeolite and Its Effect on O₂ and N₂ Adsorption Kinetics [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(2): 20240411.
[8]	LI Yaqi, XING Youmei, MA Jiewen, ZHANG Zhijun, HU Bin, FANG Weihua, YIN Yunjian, WU Zhen, WANG Guojie. Preparation and Properties of Dodecacarbonyl Alkynyl Nonionic Gemini Surfactants [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(12): 20240350.
[9]	ZENG Ziqiang, ZHANG Chenjie, XU Minmin, YAO Jianlin. Size Effect on “Hot Spot” of Au Nanoparticle Dimer-Au Plate Coupling System [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(6): 20240022.
[10]	HAN Yugui, LIU Changlong, ZHAO Peng, ZHENG Wenwen, LIU Yuepeng, LI Yi. Interaction Between Hot Water Chemical Drive System and Thick Oil Components and Theoretical Simulation Research [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(6): 20230456.
[11]	LIU Zhi, GU Junhong, LI Ningning, LIU Zhisheng, LIU Bin, LI Yangxue. Rapid Room-temperature Synthesis and Tetracycline Adsorption of Novel Ga-based Metal-organic Gels [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(5): 20230485.
[12]	YAN Fangfang, XU Yimei, LI Lingang, YU Xueyong, CAI Yibing. Preparation and Properties of n-C₂₀@TiO_2-_x Phase Change Microcapsules and Thermoregulated Down Feather [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(4): 20230501.
[13]	YU Moxin, SHI Wenxu, SUN Yuhang, ZHANG Chen, WANG Xiaoting. Preparation of P-doped Coal Pitch-based Porous Carbon and Its Adsorption Performance for Broad-spectrum Antibiotics in Wastewater [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(4): 20230481.
[14]	ZHAO Shuang, PENG Yun, LIU Chunhua, QIU Yiting, LI Yibao. Fabrication of Bioinspired Bamboo Culm Superhydrophobic Surface Using Templating Method for Anti-icing [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(12): 20230409.
[15]	YU Xianchao, QI Wenshuai, DENG Quanhua, HOU Wanguo. Surface Adsorption of Water-alcohol Binary Solutions [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(11): 20230316.