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境）的堅固、柔性薄膜具有廣泛的應用前景。然而，將BNN燒結成致密的薄膜是一個挑戰。結合二維和陶瓷材料的制備策略，在30s內快速制備了致密的BNN全陶瓷薄膜（BACF）。在該工藝中，通過精確控制的超快燒結，將高取向、高密度的BNNS快速焊接成整體，使BNNS的面內熱導率達到134.5 W·m
−1·K
−1。所制備的BACF具有燒結陶瓷（耐久性、穩定性、耐酸堿性）和二維材料薄膜（柔性、耐沖擊性）的綜合優勢，具有重要的實際應用價值。它還具有優異的冷卻性能、介電性能和良好的熱穩定性，在新興技術中有著廣泛的應用前景。
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。計算剝落BNNSs的直徑（d）和厚度（e）。（f） 顯示白色光滑表面的燒結態BACF的光學照片。
圖2. （a） BACF的燒結工藝。（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體薄膜的形貌。（c-e）1800°c下燒結樣品表面的示意圖（c1-e1）和SEM圖像（c2-e2），加熱速率（d）≈100℃·min
−1，（e）≈102℃·min
−1，（f）≈104℃·min
−1。標尺為5μm。（f） 樣品的面內熱導率和相對密度。（g） 試樣的拉伸強度和彎曲強度。（h） 不同燒結方法的升溫速率和局限性。
圖3. 燒結工藝及其條件的優化。a） BNNS燒結UHS工藝的典型溫度分布。b-e）0 s、10 s、30 s和180 s燒結時間下BACF的表面SEM圖像和相應的放大SEM圖像。f）密度和（g）面內熱導率(K
i)隨著燒結時間的延長和溫度的升高，BaCf的燒結速率逐漸增大。每個點都是指用這些參數燒結的樣品。h） 說明不同燒結狀態的時間-溫度圖，指示未燒結（深藍色）、密度快速下降（紫色）、燒結不足（黃色）、最佳燒結（紅色）和過燒（深紅色）的區域。i） hBN基薄膜面內熱導率的比較。（本工作中BN100和BN102是指以≈100°C·min
−1和≈102°C·min
−1的升溫速率燒結的BNNS薄膜）。
圖4. BACF熱管理性能演示。a） 測試系統的配置。b） BACF和BN102的紅外熱像。c） 當加熱器功率密度為8.5 W·cm
−2時，熱點溫度隨時間變化。d） 作為加熱器功率密度函數的穩態熱點溫度。e） BACF和hBN/PMMA薄膜的熱循環試驗，每次循環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-高溫沖擊試驗中保持BACF和hBN/PMMA薄膜的熱導率。b） BACF和hBN/PMMA薄膜在85°C氙燈老化試驗中的熱導率保持率。c） 熱重分析（TGA）的BACF，純BNNS薄膜，和hBN/PMMA薄膜在空氣中。d） 在不同溫度下測試了BACF和hBN/PMMA薄膜的熱導率。e） BACF和hBN/PMMA薄膜的酸堿浸漬試驗。f） 不同燒結時間的BACF照片，標尺為5 mm。g）不同燒結時間的BACF曲率半徑。h） 機械沖擊試驗前后BACF和氧化鋁薄片照片。i） 示意圖顯示， BACF具有燒結材料和2D材料的綜合優勢。
相關研究成果由蒙納士大學Minsu Liu、中國科學院深圳先進技術研究院Hui-Ming Cheng和深圳蓋姆石墨烯中心Ling Qiu課題組2024年發表在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
轉自《石墨烯研究》公眾號
