论文部分内容阅读
随着5G通讯设备、现代电子器件、换热器等向小型化、高集成化、轻量化的方向发展,设备积热问题变得日趋严重。导热聚合物基复合材料因具有导热、质轻、耐腐蚀等特性而引起了广泛关注。然而,低填料量很难实现高热导率、填料与基体间界面相容性差问题限制了热导率的提高。另外,通过化学气相沉积法、冰模板法等方法预先构建三维填料网络,然后嵌入聚合物。制备的聚合物基复合材料虽在一定程度上可以提高热导率,但复合材料中三维网络微区热导率低、所构筑的三维网络往往存在骨架密度低或通路质量差问题,限制了热导率的提高,而且其制备工艺往往存在复杂、耗时、耗能等问题。因此,通过简单的方法制备高导热的聚合物基复合材料尤为必要并充满挑战。本论文以简单的制备工艺制备高导热聚合物基复合材料为总体目标。以在微观尺度构筑导热网络的结构设计和界面分子强化设计为突破口,根据当前聚合物基复合材料和本论文制备的复合材料存在的问题,通过靶向设计调控逐步成功制备了具有高热导率的环氧树脂基复合材料,并且制备工艺逐步得到简化。主要研究内容总结如下:1.针对复合材料中三维网络微区热导率低的问题,以三维互连镍骨架（NF）作为主热传输路径,高导热氮化硼（BN）作为微区增强填料,通过简单的真空辅助混合填充工艺成功设计制备了具有双热传输网络BN/NF/环氧树脂（EP）复合材料。探讨了BN添加量对热导率的影响。结果显示,当BN添加量为50 wt%时,BN/NF/EP-50复合材料热导率高达5.14 W/（m·K）,是纯EP的24倍。研究了填料微观形貌与热导率的内在影响机制。研究表明BN在BN/NF/EP复合材料微区相互搭接形成连通网络并与NF构成双网络结构（更多的热传输路径）,以及BN与NF间良好的声子匹配性能使得二者间具有优异的协同效应是热导率提高的主要原因。另外,BN/NF/EP复合材料还具有优异的热响应能力和较好的机械性能。2.针对低填料量很难实现高导热和填料与基体间界面相容性差的问题,利用膨胀石墨（EG）作为填料,对苯二胺（PPD）作为界面强化剂,通过新型的预分散真空辅助混合法制备得到EG-PPD/EP复合材料。仅添加10 wt%的EG,EG/EP-10复合材料热导率即可高达3.04 W/（m·K）。研究发现,EG在EP中相互搭接构成三维互连网络结构是低填料量即可实现高导热的主要原因。这种三维互连网络结构是通过预分散真空辅助混合法的预分散和离心力诱导作用实现。进一步,经过PPD的界面分子强化,EG-PPD/EP-10复合材料热导率得到进一步提高,达到4.00 W/（m·K）,是纯EP的19倍。经过有效介质理论模型（EMT）拟合发现,PPD的引入降低了声子散射、EG与EP间的界面热阻是PPD进一步提高热导率的根本原因。另外,通过红外热成像分析结果显示EG-PPD/EP复合材料具有优异的热响应能力。3.针对复合材料中缺少高密度或高质量的互连网络结构和填料与基体间界面相容性差的问题,采用预填充法热压法构建三维互连导热网络,并提高其致密性和连通性成功制备了具有高热导率的磺胺改性的EG（EG-SA）/EP复合材料。结果显示,经过SA界面强化,EG-SA/EP-30复合材料热导率高达52 W/（m?K）,甚至超过了部分商业常用金属材料。在此基础上,继续提高EG-SA添加量,EG-SA/EP-70复合材料热导率更是高达98 W/（m?K）。经过EMT和Foygel理论模型界面热阻拟合、微观形貌表征与导热性能测试等手段相结合发现,如此优异的热传输性能归因于三维致密的（微米级）、高质量的互连网络结构的构筑和填料与基体间的界面强化为热能载流子传输热量提供了大量的、高质量的传输路径。红外热成像分析和水蒸发实验进一步直观的证明了EG-SA/EP复合材料具有优异的热响应能力。另外,其还具有优异的电磁干扰屏蔽性能和导电性能。4.针对高导热聚合物基复合材料往往存在制备工艺复杂问题,采用简单的一锅法,利用固化剂锌离子络合物二甲基丙烯酸锌（ZDMA）中Zn2+的界面强化作用成功制备了具有高热导率的EG-Zn/EP复合材料。结果显示,仅添加30 wt%EG,EG-Zn/EP-30复合材料热导率就高达55.49 W/（m?K）,约是纯EP的241倍。研究发现,Zn2+的引入提高了EP与EG界面相容性,以及EG在EG-Zn/EP复合材料中构建了三维致密的连通网络结构是热导率提高的主要原因。分析表明Zn2+与EG间强阳离子-π相互作用是EP与EG界面得到强化的根本原因。另外,ZDMA的合成、填料基体混合等制备过程在一锅完成,而且无需额外的界面强化制备过程和界面强化剂,使得制备工艺、成本、用时等得到缩减。同时,EG-Zn/EP-30复合材料还具有优异的热响应能力、导电性能和在LED动态散热分析中优异的散热能力。对本论文所制备的几种复合材料在热导率、密度、制备工艺和填料添加量方面进行了综合性能分析。根据所制备的复合材料存在的问题进行靶向设计调控,使得复合材料性能和制备工艺得到逐步优化,而且从BN/NF/EP复合材料到EG-Zn/EP复合材料综合性能得到了全面提升。另外,与近六年所报道的聚合物基复合材料热导率进行了比较。结果发现,BN/NF/EP复合材料和EG-PPD/EP复合材料具有高的热导率。尤其是EG-SA/EP复合材料和EG-Zn/EP复合材料,在相同填料添加量下,热导率高于当前报道值。