高导热聚偏氟乙烯复合材料的制备及性能研究

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随着电子集成技术的迅速发展,电子元器件,电子设备越来越向着小、轻、薄等方向发展,然而随着工作频率的不断增加,电子器件就会不可避免地产生大量由于电功率损耗的热量,这就导致一些对温度敏感的元器件失效。因此,研制高导热的散热材料就成立一个亟待解决的问题。高导热聚合物基复合材料因为容易加工,物理化学性能优异,赢得了人们广泛的关注,现在已在航天器、汽车和电子器件,电机电器中获得了广泛应用。本文以超级富勒烯(SF),碳纳米管(CNT),石墨烯纳米片(GS)和MXene(Ti3C2Tx)作为纳米导热填料,以聚偏氟乙烯(PVDF)为基体,分别制备了PVDF/SF,PVDF/CNT,PVDF/GS和PVDF/MXene复合材料,然后就以下两个方面进行探索研究。(1)采用溶液共混和热压的方法,将相同质量的超级富勒烯,碳纳米管,石墨烯三种纳米碳材料分别添加到PVDF基体中制备出了三种不同的PVDF基复合材料。然后我们系统地研究了这三种不同维度的碳材料对PVDF的导热性能,热稳定性能,动态热机械性能,等方面的影响。实验结果表明:1)三种碳材料的加入对PVDF基体导热性能都有所提高,但增强的效果有所不同。与纯PVDF相比,当填量比例为20 wt%时,PVDF/SF,PVDF/CNT和PVDF/GS热导率分别为0.194,0.604和2.06 W/mK,分别提高了2.6%,220%,1000%。这表明了二维GS的在导热增强方面比一维CNT,零维SF有很大的优势。2)PVDF/SF,PVDF/CNT和PVDF/GS具有较好的热稳定性能,尤其是GS将PVDF的热分解温度提升了14°C左右。3)PVDF基复合材料的动态热机械性能比纯PVDF优异很多,当温度为-80°C时,PVDF/SF,PVDF/CNT,PVDF/GS复合材料的储存模量分别达到5.6,6.2,8.1 GPa,与纯PVDF相比,分别提升了60%,77.1%,131%。(2)以Ti3AlC2三元钛碳化合物为母体材料,先使用氢氟酸(HF)对其刻蚀,然后用氮氮-二甲基甲酰胺(DMF)插层并辅以超声作用,从而制备出少层甚至单层MXene。最后将制备的MXene添加到PVDF基体中制备出了PVDF/MXenes复合材料。利用LFA 447激光导热仪,动态热机械分析仪(DMA)等仪器对不同含量MXene的PVDF/MXenes复合材料的导热性能,动态热机械和热稳定性等性能方面进行研究。研究结果表明:1)使用氢氟酸(HF)刻蚀钛碳化铝(Ti3AlC2),经过超声作用,可以制备出层数很少的MXene纳米片。2)MXene纳米片的加入可以增强了PVDF的导热性能,当MXene的含量分别为1 wt%,2 wt%,3 wt%,4 wt%,5 wt%时候,PVDF/MXene复合材料的热导率分别为0.183,0.233,0.265,0.306和0.363 W/mK,与纯PVDF相比,分别提高了4%,33%,51%,75%和107%。3)PVDF/MXene复合材料的热机械性能因为MXene纳米片的加入而得到了较好的改善,尤其是当MXene含量在5 wt%的时候,PVDF/MXene复合材料的储存模量高达7.5 GPa,玻璃化转变温度为-25.5°C,这相对于纯PVDF分别提高了64%和6.5°C。
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