【摘 要】
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导热高分子材料由于具有良好的加工性能和较低的制造成本而被广泛应用于微电子、移动智能设备、航空航天、电力电气、能源换热等各个领域。然而高分子材料自身的导热性能较差,通常需要添加高导热的填料才能满足实际应用需求。因此,本文以环氧树脂(EP)为基体、六方氮化硼(h-BN)为主要导热填料,围绕h-BN的非共价和共价改性,聚乙二醇(PEG)对EP性能的影响,以及棉纤维、海泡石纤维为骨架构建三维导热网络等几个
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导热高分子材料由于具有良好的加工性能和较低的制造成本而被广泛应用于微电子、移动智能设备、航空航天、电力电气、能源换热等各个领域。然而高分子材料自身的导热性能较差,通常需要添加高导热的填料才能满足实际应用需求。因此,本文以环氧树脂(EP)为基体、六方氮化硼(h-BN)为主要导热填料,围绕h-BN的非共价和共价改性,聚乙二醇(PEG)对EP性能的影响,以及棉纤维、海泡石纤维为骨架构建三维导热网络等几个方面系统地对复合材料的导热性能进行研究。主要内容如下:(1)利用聚乙烯醇与苯甲醛在水溶液中反应生成聚乙烯醇缩苯甲醛(PVB)非共价包覆改性h-BN,不同包覆量的改性粒子对应的环氧复合材料的热扩散系数表明:形成的包覆层的厚度容易过大而导致团聚并增大界面热阻,这是非共价改性都会遇到的问题。提出“溶剂辅助溶解-扩散”法来解决这个问题,该方法能使h-BN二次分散并能有效减小包覆层厚度,进而降低界面热阻,同时还能促使导热填料在材料内部形成导热网络。因此,当h-BN@PVB的含量为40wt%时,复合材料的导热系数达0.89 W/m·K,约为纯EP的4倍。(2)发现氯化亚砜在室温下能刻蚀h-BN并在其表面引入大量羟基和氨基,且氨基的含量大于羟基的。随后提出了刻蚀反应机理,并证明了硼酸的生成是导致氨基含量高于羟基含量的主要原因,并且环境中的H+和OH-可以通过影响硼酸的生成来影响刻蚀后氮化硼的缺陷结构。复合材料的导热系数表明,刻蚀得到的T-BN由于表面粗糙以及大量官能团的存在使其与树脂基体的界面粘合得到改善,从而弥补了刻蚀缺陷导致的自身性能的下降,使复合材料的导热系数得到提高。(3)归纳并预测了一些具有X=O(X=C、S、N、P、Cr)结构的试剂可用于改性h-BN,并证实了三氯氧磷和磺酰氯的刻蚀活性,且刻蚀机理与氯化亚砜相同。利用磺酰氯刻蚀得到的S-BN与糠酰氯反应引入呋喃基团,再通过Diels-Alder反应在S-BN表面共价引入PEG分子链。当共价改性后的填料含量为50 wt%时,复合材料的导热系数达1.14 W/m·K,约为纯EP的5倍。(4)利用不同分子量的PEG、聚丙二醇(PPG)等长链分子改性EP,结果表明随着PEG、PPG等含量增加,所得固化物的Tg变低、力学性能变差,由硬质向柔软状态转变,热扩散系数由于材料内的共价键减少而降低。为了获得高导热性能的复合材料,利用尿素-氢氧化钠溶液将脱脂棉纤维表面溶解并将h-BN粘附于其上,随后快速干燥制成泡沫材料并浸渍改性树脂制备成复合材料。当填料含量为20 wt%时,h-BN包覆于棉纤维表面且相互搭接形成导热通路,使得复合材料的导热系数达到0.58 W/m·K。(5)海泡石纤维、h-BN和金属锡(Sn)粉均匀混合后通过抽滤获得滤饼,然后加热使低熔点的Sn熔融并渗入周围的空隙。Sn粒子在海泡石的作用下形成层层堆叠结构,而滤饼热处理后Sn周围的h-BN和海泡石会嵌入到其表面从而改善了填料间的界面。因此,当Sn含量约为47.2 wt%时,导热系数可达3.37 W/m·K。而体系中加入的h-BN能防止熔融的Sn相互接触而导电,但不妨碍热量传导,因此样品的体积电阻率仍大于10~9 Ω·m。
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