高導熱聚合物基復合材料的制備與性能研究.pdf

1、隨著微電子集成技術和組裝技術的快速發(fā)展，電子元器件和邏輯電路的體積越來越小，而工作頻率急劇增加，半導體的環(huán)境溫度向高溫方向變化，為保證電子元器件長時間可靠地正常工作，及時散熱能力就成為其使用壽命長短的制約因素。高導熱聚合物基復合材料在微電子、航空、航天、軍事裝備、電機電器等諸多制造業(yè)及高科技領域發(fā)揮著重要的作用。所以研制綜合性能優(yōu)異的高導熱聚合物基復合材料成為了目前研究熱點。本論文分別以氧化鋁（Al2O3）、石墨烯和氮化硼（BN）納米片

2、為導熱填料，以環(huán)氧樹脂和聚偏氟乙烯（PVDF）為基體，制備了新型的高導熱聚合物基復合材料。
　　首先，采用兩步法將超支化聚芳酰胺接枝到納米Al2O3粒子表面：納米顆粒先進行硅烷偶聯(lián)劑處理引入氨基基團，在改性后的納米粒子上接枝超支化聚合物；再利用X射線衍射、傅立葉紅外光譜、核磁共振氫譜和熱失重等方法對納米Al2O3粒子的表面改性進行表征；然后分別將未改性的納米Al2O3粒子、硅烷接枝的納米Al2O3粒子(Al2O3-APS)和超支化

3、聚芳酰胺接枝的納米Al2O3粒子(Al2O3-HBP)與環(huán)氧樹脂復合，并對三種復合材料的熱性能和介電性能進行比較研究。
　　結果表明：
　　(1)從SEM、TEM和動態(tài)光散射的實驗結果表明，三種納米顆粒相比之下，Al2O3-HBP納米粒子在有機溶劑乙醇和環(huán)氧樹脂中顯示出最好的分散性。
　　(2)三種復合材料的導熱系數(shù)都是隨著納米顆粒含量的增加而增大；在添加相同含量的納米顆粒時，其導熱系數(shù)遵循著如下的規(guī)律：環(huán)氧樹脂/Al

4、2O3-HBP復合材料>環(huán)氧樹脂/Al2O3-APS復合材料>環(huán)氧樹脂/Al2O3復合材料。而且從DSC、TGA和DMA的實驗結果可以得出，與未改性Al2O3和Al2O3-APS納米顆粒相比，添加Al2O3-HBP納米顆粒能很好提高復合材料的耐熱性。
　　(3)對三種復合材料的介電性能（體積電阻率、介電常數(shù)、介電損耗和擊穿強度）的研究比較發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧樹脂/Al2O3-HBP復合材料顯示出優(yōu)異的綜合介電性能。
　　其次，采用改進

5、的Hummers法和超聲剝離法制備氧化石墨烯，再使用熱還原的方法制備石墨烯。系統(tǒng)地研究了石墨烯含量對PVDF復合材料的導熱、熱穩(wěn)定和介電性能的影響，闡述了其石墨烯提高 PVDF復合材料的導熱性能的機理；最后還研究了低石墨烯摻量下對PVDF復合材料熱穩(wěn)定、動態(tài)熱力學、結晶行為、透光率和表面接觸角等性能的影響。
　　結果表明：
　　(1)從SEM和TEM可以得出，通過溶劑共混方法使石墨烯能均勻地分散在PVDF基體中。
　　

6、(2)在PVDF基體中引入石墨烯可以使其復合材料的介電性能、導熱性能和熱穩(wěn)定性能都有大幅度的提高。實驗結果顯示PVDF復合材料的逾滲閥值為4.5 wt％。當石墨烯含量為0.5 wt%時，PVDF復合材料的導熱系數(shù)為純PVDF的2倍；當含量為10 wt%時，其導熱系數(shù)達到了0.58 W/m?K，并對其導熱系數(shù)提高的內(nèi)在機理進行了合理地解釋。
　　(3)通過研究在低石墨烯摻量下，PVDF復合材料也具有高的熱穩(wěn)定、優(yōu)良的動態(tài)熱力學等性能

7、；同時石墨烯對PVDF復合材料的結晶形態(tài)、光學性能和表面特性也會有較大的影響。石墨烯優(yōu)異的性質為我們開發(fā)高性能的復合材料提供了新思路。
　　最后，采用簡單的超聲離心的方法制備得到BN納米片，再分別用共價鍵和非共價鍵方式對BN納米片的進行表面官能團化。對BN納米片與環(huán)氧樹脂基體間的相互作用設計了三種不同界面相互作用強度。
　　(1)強界面相互作用：將BN納米片上接枝超支化聚芳酰胺(BN-HBP)。BN-HBP納米片表面帶有大量

8、的氨基基團與環(huán)氧樹脂中的環(huán)氧基團在固化過程中形成共價鍵，共價鍵的形成使得納米片與環(huán)氧樹脂間產(chǎn)生強相互作用。
　　(2)中等強度界面相互作用：用十八胺分子修飾BN納米片(BN-ODA)，由于十八胺的氨基端基是富電子充當Lewis酸，而BN納米片中B原子是缺電子充當Lewis堿。通過Lewis酸堿的非共價鍵的相互作用ODA分子可以很好地吸附在BN納米片表面。經(jīng)修飾后的BN納米片表面的十八胺長鏈分子在環(huán)氧樹脂固化過程中會與環(huán)氧分子發(fā)生分

9、子纏結而產(chǎn)生一個比化學鍵結合而稍弱一些的界面相互作用。
　　(3)弱界面相互作用：為了比較研究，制備了直接添加BN納米片的環(huán)氧復合材料，由于BN納米片與環(huán)氧樹脂間既沒有物理纏結又沒有化學鍵的相互作用，所以BN納米片與環(huán)氧樹脂間表現(xiàn)為弱的界面相互作用。系統(tǒng)地研究納米片與環(huán)氧樹脂基體間的不同相互作用對復合材料微觀結構、熱性能和介電性能影響，重點闡述了不同強度界面相互作用對復合材料的導熱性能的影響規(guī)律。
　　結果表明：
　　

10、(1)從SEM和TEM的實驗結果表明，BN-ODA和BN-HBP納米片因為分別與環(huán)氧樹脂之間有物理纏結和化學交聯(lián)的強界面相互作用，使其具有良好的分散性和相容性。
　　(2)在添加5wt%時,三種復合材料的導熱系數(shù)遵循著如下的規(guī)律：環(huán)氧樹脂/BN-HBP復合材料>環(huán)氧樹脂/BN-ODA復合材料>環(huán)氧樹脂/BN復合材料。而且從DSC、TGA和DMA的實驗結果可以得出，添加經(jīng)表面改性BN-ODA和BN-HBP納米片的復合材料具有優(yōu)異的耐