將氮化硼納米片（BNNSs）組裝成能夠承受極端條件（例如高/低工作溫度和腐蝕性環(huán)境）的堅(jiān)固、柔性薄膜具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，將BNN燒結(jié)成致密的薄膜是一個(gè)挑戰(zhàn)。結(jié)合二維和陶瓷材料的制備策略，在30s內(nèi)快速制備了致密的BNN全陶瓷薄膜（BACF）。在該工藝中，通過(guò)精確控制的超快燒結(jié)，將高取向、高密度的BNNS快速焊接成整體，使BNNS的面內(nèi)熱導(dǎo)率達(dá)到134.5 W·m
−1·K
−1。所制備的BACF具有燒結(jié)陶瓷（耐久性、穩(wěn)定性、耐酸堿性）和二維材料薄膜（柔性、耐沖擊性）的綜合優(yōu)勢(shì)，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。它還具有優(yōu)異的冷卻性能、介電性能和良好的熱穩(wěn)定性，在新興技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用前景。
圖1. （a） BACF制造工藝示意圖。（b） 脫落BNN的AFM圖像。（c） 剝離BNNSs的TEM圖像。計(jì)算剝落BNNSs的直徑（d）和厚度（e）。（f） 顯示白色光滑表面的燒結(jié)態(tài)BACF的光學(xué)照片。
圖2. （a） BACF的燒結(jié)工藝。（b） BNNS薄膜閃光焊接的SEM圖像，插圖為示意圖。（b） 用掃描電鏡觀察了前驅(qū)體薄膜的形貌。（c-e）1800°c下燒結(jié)樣品表面的示意圖（c1-e1）和SEM圖像（c2-e2），加熱速率（d）≈100℃·min
−1，（e）≈102℃·min
−1，（f）≈104℃·min
−1。標(biāo)尺為5μm。（f） 樣品的面內(nèi)熱導(dǎo)率和相對(duì)密度。（g） 試樣的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度。（h） 不同燒結(jié)方法的升溫速率和局限性。
圖3. 燒結(jié)工藝及其條件的優(yōu)化。a） BNNS燒結(jié)UHS工藝的典型溫度分布。b-e）0 s、10 s、30 s和180 s燒結(jié)時(shí)間下BACF的表面SEM圖像和相應(yīng)的放大SEM圖像。f）密度和（g）面內(nèi)熱導(dǎo)率(K
i)隨著燒結(jié)時(shí)間的延長(zhǎng)和溫度的升高，BaCf的燒結(jié)速率逐漸增大。每個(gè)點(diǎn)都是指用這些參數(shù)燒結(jié)的樣品。h） 說(shuō)明不同燒結(jié)狀態(tài)的時(shí)間-溫度圖，指示未燒結(jié)（深藍(lán)色）、密度快速下降（紫色）、燒結(jié)不足（黃色）、最佳燒結(jié)（紅色）和過(guò)燒（深紅色）的區(qū)域。i） hBN基薄膜面內(nèi)熱導(dǎo)率的比較。（本工作中BN100和BN102是指以≈100°C·min
−1和≈102°C·min
−1的升溫速率燒結(jié)的BNNS薄膜）。
圖4. BACF熱管理性能演示。a） 測(cè)試系統(tǒng)的配置。b） BACF和BN102的紅外熱像。c） 當(dāng)加熱器功率密度為8.5 W·cm
−2時(shí)，熱點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化。d） 作為加熱器功率密度函數(shù)的穩(wěn)態(tài)熱點(diǎn)溫度。e） BACF和hBN/PMMA薄膜的熱循環(huán)試驗(yàn)，每次循環(huán)160 s。
圖5.BACF具有陶瓷和二維材料薄膜的綜合性能。a）在低溫-高溫沖擊試驗(yàn)中保持BACF和hBN/PMMA薄膜的熱導(dǎo)率。b） BACF和hBN/PMMA薄膜在85°C氙燈老化試驗(yàn)中的熱導(dǎo)率保持率。c） 熱重分析（TGA）的BACF，純BNNS薄膜，和hBN/PMMA薄膜在空氣中。d） 在不同溫度下測(cè)試了BACF和hBN/PMMA薄膜的熱導(dǎo)率。e） BACF和hBN/PMMA薄膜的酸堿浸漬試驗(yàn)。f） 不同燒結(jié)時(shí)間的BACF照片，標(biāo)尺為5 mm。g）不同燒結(jié)時(shí)間的BACF曲率半徑。h） 機(jī)械沖擊試驗(yàn)前后BACF和氧化鋁薄片照片。i） 示意圖顯示， BACF具有燒結(jié)材料和2D材料的綜合優(yōu)勢(shì)。
相關(guān)研究成果由蒙納士大學(xué)Minsu Liu、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院Hui-Ming Cheng和深圳蓋姆石墨烯中心Ling Qiu課題組2024年發(fā)表在Chemical Engineering Journal (鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.152156)上。原文：Flash soldering of boron nitride nanosheets for all-ceramic films
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
