将氮化硼纳米片（BNNSs）组装成能够承受极端条件（例如高/低工作温度和腐蚀性环境）的坚固、柔性薄膜具有广泛的应用前景。然而，将BNN烧结成致密的薄膜是一个挑战。结合二维和陶瓷材料的制备策略，在30s内快速制备了致密的BNN全陶瓷薄膜（BACF）。在该工艺中，通过精确控制的超快烧结，将高取向、高密度的BNNS快速焊接成整体，使BNNS的面内热导率达到134.5 W·m⁻¹·K⁻¹。所制备的BACF具有烧结陶瓷（耐久性、稳定性、耐酸碱性）和二维材料薄膜（柔性、耐冲击性）的综合优势，具有重要的实际应用价值。它还具有优异的冷却性能、介电性能和良好的热稳定性，在新兴技术中有着广泛的应用前景。
 
 
图1. （a） BACF制造工艺示意图。（b） 脱落BNN的AFM图像。（c） 剥离BNNSs的TEM图像。计算剥落BNNSs的直径（d）和厚度（e）。（f） 显示白色光滑表面的烧结态BACF的光学照片。
 
 
图2. （a） BACF的烧结工艺。（b） BNNS薄膜闪光焊接的SEM图像，插图为示意图。（b） 用扫描电镜观察了前驱体薄膜的形貌。（c-e）1800°c下烧结样品表面的示意图（c1-e1）和SEM图像（c2-e2），加热速率（d）≈100℃·min⁻¹，（e）≈102℃·min⁻¹，（f）≈104℃·min⁻¹。标尺为5μm。（f） 样品的面内热导率和相对密度。（g） 试样的拉伸强度和弯曲强度。（h） 不同烧结方法的升温速率和局限性。
 
 
图3. 烧结工艺及其条件的优化。a） BNNS烧结UHS工艺的典型温度分布。b-e）0 s、10 s、30 s和180 s烧结时间下BACF的表面SEM图像和相应的放大SEM图像。f）密度和（g）面内热导率(K_i)随着烧结时间的延长和温度的升高，BaCf的烧结速率逐渐增大。每个点都是指用这些参数烧结的样品。h） 说明不同烧结状态的时间-温度图，指示未烧结（深蓝色）、密度快速下降（紫色）、烧结不足（黄色）、最佳烧结（红色）和过烧（深红色）的区域。i） hBN基薄膜面内热导率的比较。（本工作中BN100和BN102是指以≈100°C·min⁻¹和≈102°C·min⁻¹的升温速率烧结的BNNS薄膜）。
 
 
图4. BACF热管理性能演示。a） 测试系统的配置。b） BACF和BN102的红外热像。c） 当加热器功率密度为8.5 W·cm⁻²时，热点温度随时间变化。d） 作为加热器功率密度函数的稳态热点温度。e） BACF和hBN/PMMA薄膜的热循环试验，每次循环160 s。
 
  
图5.BACF具有陶瓷和二维材料薄膜的综合性能。a）在低温-高温冲击试验中保持BACF和hBN/PMMA薄膜的热导率。b） BACF和hBN/PMMA薄膜在85°C氙灯老化试验中的热导率保持率。c） 热重分析（TGA）的BACF，纯BNNS薄膜，和hBN/PMMA薄膜在空气中。d） 在不同温度下测试了BACF和hBN/PMMA薄膜的热导率。e） BACF和hBN/PMMA薄膜的酸碱浸渍试验。f） 不同烧结时间的BACF照片，标尺为5 mm。g）不同烧结时间的BACF曲率半径。h） 机械冲击试验前后BACF和氧化铝薄片照片。i） 示意图显示， BACF具有烧结材料和2D材料的综合优势。
 
      相关研究成果由蒙纳士大学Minsu Liu、中国科学院深圳先进技术研究院Hui-Ming Cheng和深圳盖姆石墨烯中心Ling Qiu课题组2024年发表在Chemical Engineering Journal (链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.152156)上。原文：Flash soldering of boron nitride nanosheets for all-ceramic films

转自《石墨烯研究》公众号