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中国科学院兰州化物所于元烈等：液态金属改性六方氮化硼薄片以增强电磁波吸收和热管理性能精选

已有 780 次阅读 2025-12-22 10:00 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Lin Y, Yu K, Zhong B, et al. Liquid metal modified hexagonal boron nitride flakes for efficient electromagnetic wave absorption and thermal management. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221208

文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221208

ResearchGate：Liquid metal modified hexagonal boron nitride flakes for efficient electromagnetic wave absorption and thermal management

1、导读

随着5G通信和高功率电子设备迅速发展，电磁波干扰与热积累已成为影响电子系统稳定性的核心难题。六方氮化硼（h-BN）因其“高导热和低介电”性能而备受关注，但其化学惰性强，难以表面改性，限制了其性能发挥。本文以液态金属（LM）为改性剂，采用机械化学活化方法对BN微米片进行改性（BNF@LM），该方法无需复杂化学反应即可在BN微米片表面引入丰富的极化界面。当LM含量较高时（H-BNF@LM），H-BNF@LM表现出强电磁波吸收性能（RL_min：-48.4 dB）和宽带吸收特性（EAB_max：5.76 GHz）。同时，H-BNF@LM能够在芳纶纳米纤维（ANF）基体中构建高效的导热网络，使复合薄膜热导率提升近5倍，并展现出良好的阻燃性。该成果为柔性多功能氮化硼基电磁防护与热管理材料的设计制备提供了新的路径。

2、研究背景

随着电子器件不断向小型化、高集成、高功率与柔性化方向发展，电磁波干扰和热积累问题愈加突出，对兼具电磁波吸收与高效散热能力的热管理材料提出了更高要求。六方氮化硼（h-BN）微纳米材料因其高导热和优异的化学稳定性，被认为是热管理材料的理想候选材料之一。然而，由于h-BN导电性差、介电损耗不足难以实现有效吸波；同时，h-BN化学性能稳定，与聚合物界面结合弱，也限制了其分散性和导热网络的构建。现有h-BN表面改性方法步骤较繁琐且难以规模化，因此亟需一种更简单、有效的h-BN改性策略。

液态金属（LM）具备高流动性和良好导电性，能够在温和条件下与h-BN构建异质界面，引入极化位点，改善h-BN的导电性和极化特性，同时保持其固有的高热导性。本研究基于机械化学改性策略，实现了LM对BN微米片的原位改性。该改性H-BNF@LM表现出强电磁波吸收性能和宽带吸收特性；同时，该H-BNF@LM与ANF复合后，能够构筑兼具高导热和阻燃性能的柔性复合薄膜材料，为高性能氮化硼基电磁波吸收与热管理材料的设计制备提供了新的计思路。

3、文章亮点

（1）提出了机械化学驱动的LM原位活化策略，在无需化学反应与复杂处理的情况下即可在BN表面引入丰富的极化界面，显著提高界面极化与介电损耗能力。

（2）多相BNF@LM异质结构的引入能够增加极化中心、导电通道与缺陷，使复合材料呈现强电磁波吸收性能（RL_min= -48.4 dB，EAB_max = 5.76 GHz），并且该吸波性能超过多数同类BN或LM基吸波材料。

（3） BNF@LM能够在ANF基体内部构建连续导热网络，提高ANF复合薄膜的导热性能（热导率0.54 W·m^-1·K^-1，约为纯ANF的5倍），并赋予复合薄膜良好的阻燃性，实现强吸波、高导热、阻燃与柔韧性多功能一体化。

4、研究结果及结论

通过简单的机械化学改性过程，LM能够在BNF微米片表面发生原位涂覆，形成金属态/氧化态的混合相。并且，所制备的BNF@LM填料能够在ANF基体内实现稳定嵌入与分散，构建连续导热通道，提高ANF复合薄膜的导热性能。

图1 多功能 BNF@LM 复合材料的设计策略及应用。LM 和 BNF@LM 复合材料制备过程的示意图：(a) LM；(b) BNF@LM 复合材料。BNF@LM 复合材料在 (c) 电磁波吸收和 (d) 热管理领域的应用。

结合SEM与TEM结果可以看到LM均匀附着于BNF微米片表面，并形成连续包覆层，活化惰性的BNFs。随着LM负载量的增加，LM能够均匀锚定在BNF表面，同时机械研磨过程中伴随局域缺陷的形成，为后续界面极化和电磁波损耗提供结构基础。

图2 不同负载量的 BNF@LM 复合材料的扫描电子显微镜（SEM）图像及其对应的镓（Ga）、铟（In）、锡（Sn）和硼（B）的能谱分析（EDS）图谱。（a）低负载量 BNF@LM，（b）中负载量 BNF@LM，（c）高负载量 BNF@LM。（d）高负载量 BNF@LM 的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像，显示了 BNF 中新产生的晶体缺陷。（e）高负载量 BNF@LM 的HAADF-STEM图像及其对应的 EDS 图谱。

通过对比不同负载LM量的BNF@LM的电磁参数。随着LM增加，ε′与ε″均显著增强，表明介电损耗能力得到有效提升。这种增强源自导电LM的引入，它们产生了额外的界面极化和导电通路。随着LM负载量的增加，更多含量的LM能够同时增强传导损耗和极化损耗，从而实现更有效的能量耗散。特别地，H-BNF@LM复合材料的界面极化现象明显强于其他样品，这证实了极化损耗在整体衰减机制中起主导作用。

图3 各种吸波体的电磁参数，分别为 L-BNF@LM、M-BNF@LM 和 H-BNF@LM：（a）ε′，（b）ε"，（c）tanδε，（d）传导损耗，（e）极化损耗，（f）衰减常数α，以及（g-i）相应的电磁波吸收特性。

对不同H-BNF@LM负载量的吸波体的吸波性能进一步研究发现：当H-BNF@LM负载量为30 wt.%时，该吸波体在4.9 mm处的EAB_max为 3.20 GHz（4.72-7.92 GHz）。当H-BNF@LM负载量增加到40 wt.%时，优化后的吸波体实现了最强的电磁波吸收能力，其RL_min为-48.4 dB，在2.0 mm处，EAB_max为5.76 GHz （12.16-17.92 GHz）。而对于H-BNF@LM负载量为50 wt.%的吸波体，其RL_min为-37.2 dB，在1.9 mm处的EAB_max为4.32 GHz（12.16-16.48 GHz）。而对于H-BNF@LM负载量为60 wt.%的吸波体，其RL_min为-19.3 dB，在1.2 mm处的EAB_max为4.48 GHz（13.20-17.68 GHz）。上述结果表明，40 wt.% 含量的H-BNF@LM能够提供最佳的平衡，实现对电磁波的有效衰减。相比之下，过量的H-BNF@LM会破坏吸波体与自由空间的阻抗匹配，导致电磁波反射严重，降低整体电磁波吸收效率。

图4 不同 H-BNF@LM 含量的吸收器的电磁参数：（a）ε′，（b）ε"，（c）tanδε，（d）α。不同 H-BNF@LM 含量的吸收器的三维和二维 RL 值：（e， i）30% 重量百分比，（f， j）40% 重量百分比，（g， k）50% 重量百分比和（h， l）60% 重量百分比。

为了进一步评估 H-BNF@LM 复合材料的隐身潜力，使用CST进行了雷达散射截面模拟。PEC基底显示出强烈的散射信号，在13.04 GHz时最大雷达散射截面为15.49 dB m²。相比之下，40 wt.%的H-BNF@LM吸收层覆盖的PEC明显抑制了散射，该频率下的最大雷达散射截面为-6.5 dB 。入射电磁波在异质结构中进行多次相互作用；此外，由机械碰撞引起的缺陷和偶极子也会影响德拜弛豫现象。这两种机制显著增加了介电损耗。同时，导电的LM建立了局部电流传导路径，也增强了传导损耗，共同促进了电磁波能量的有效耗散。优化后的H-BNF@LM吸波体的吸波性能也超过了之前研究中报道相似结构的吸收体，突显了BNF@LM复合材料的优越性。总的来说，界面极化、德拜弛豫和传导损耗的协同作用，以及优化的阻抗匹配，支撑了H-BNF@LM复合材料强大的衰减能力和出色的电磁波吸收性能。

图 5 多维远场响应的 RCS 模拟结果，（a）PEC，（b）含 40% wt.% H-BNF@LM 的吸收体，（c）在 13.04 GHz 时模拟值的 1D 图表。（d）H-BNF@LM 复合材料的电磁波吸收机制。（e）RL 值和（f）H-BNF@LM 基于吸收体在不同厚度下的阻抗匹配。（g）与之前文献报道的 RL 和 EAB 值的比较。（h）不同厚度的 H-BNF@LM 基吸收体的 EAB。（i）基于 H-BNF@LM 的吸收体的科尔-科尔图。

H-BNF@LM作为填料能够提高ANF复合薄膜的导热性能。该导热性能的提高可以归因于BNFs与LM协同构建的导热网络。多尺度导热通路能够降低界面热阻，实现高效热量输运，赋予复合薄膜优异的热管理能力。同时，在阻燃实验中，纯ANF薄膜在3 s内被迅速点燃并严重燃烧，而H-BNF@LM/ANF复合薄膜仅出现表面轻微炭化，无明显燃烧并保持了结构完整。这是因为BNFs与LM形成的保护层有效阻隔了氧气扩散，延缓热降解过程，使复合薄膜具备良好的阻燃能力。这一策略为设计制备新型电磁波防护和热管理用氮化硼基多功能复合材料提供了一种有效的方法。

图 6 （a）ANF 和 H-BNF@LM/ANF 薄膜的热导率。（b）薄膜在 LED 芯片中作为热传递介质（TIM）的示意图。（c）在开启和关闭阶段，未使用 TIM 的 LED 芯片与集成有 H-BNF@LM/ANF 和纯 ANF 薄膜作为 TIM 的芯片的红外热图像，分别对应于运行时间；以及（d）相应的温度-时间曲线。（e）纯 ANF 和 H-BNF@LM/ANF 复合薄膜的 TGA 曲线。（f）H-BNF@LM/ANF 薄膜的特斯拉无线传输实验的数字照片和原理图。（g）纯 ANF 和 H-BNF@LM/ANF 薄膜燃烧测试的数字照片。

5、作者及研究团队简介

于元烈（通讯作者），中国科学院兰州化学物理研究所研究员，博士生导师，研究方向主要是围绕六方氮化硼基微纳米材料的优异性能，开展六方氮化硼基微纳米材料的结构设计、制备及其在润滑、散热和防护等特种表面/界面材料中的应用研究；已在Prog. Mater. Sci.，Adv. Funct. Mater.，J. Adv. Ceram.，Compos. Part B，Small，Chem. Eng. J.等期刊发表论文80余篇。

邮箱：yuanliehll@licp.cas.cn

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2024年发文量为174篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。