纳米碳材料/聚合物基导热复合材料的制备与实验研究

来源 :广东工业大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:zhengwei129
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随着信息产业的迅速发展,电子元器件的集成度和小型化得到了长足的发展,同时也使得电子器件的功率和发热量大幅度的增长,无论是器件的工作效率、可靠性、寿命,还是电子器件的进一步集成,散热问题都变得越来越重要。而导热高分子材料能具有良好的导热性,可以很好地解决电子元器件散热问题,提高其稳定性、延长其寿命,能够很好的满足特定领域的需求。因此,研究高导热聚合物材料具有十分重要的意义。本文以高导热聚合物材料为研究对象,重点围绕着碳包铜纳米粒子(Cu@C)、纳米氮化铝(AIN)、纳米碳化硅(SiC)、多璧碳纳米管(MWNT)及其高导热聚合物复合材料的制备进行了创新性研究。采用电弧法制备出碳包铜,对自制的碳包铜纳米粒子的结构、物相、粒度进行了分析表征,并且以硅树脂为基体,Cu@C、AlN、SiC以及MWNT为主要导热填料,制备了兼具良好导热性能的导热贴片和导热硅树脂。并且还以多层石墨、石墨为填料,聚乙烯(PE)、聚乙烯接枝马来酸酐(GPE)为基材制备了高导热塑料复合材料。对导热导热贴片的导热性能及制备条件和工艺进行了研究。对导热硅树脂的导热性能、热稳定性、热膨胀性、电阻率进行了研究。对导热塑料的导热性能、热稳定性、热膨胀性、电阻率、力学性能进行了研究。本文的主要内容有:(1)碳包铜纳米粒子的制备研究以碳粉和铜粉为原料,其中碳粉和铜粉的质量比为4:1,采用碳弧法制备了碳包覆铜纳米粒子,采用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和扫描电镜(SEM)对样品的物相结构组成、形貌和尺寸以及相组成,抗氧化性能进行了研究。结果表明:该碳包覆铜纳米粒子为典型的核壳型结构,内核为结晶的金属纳米粒子,外壳为石墨碳层,碳包裹效果较好,粒子没有明显团聚。(2)碳包铜填充硅树脂制备玻璃纤维布/硅树脂柔性导热贴片与实验研究制备了Cu@C、AlN以及SiC为导热填料的硅树脂浆料,浆料浓度为30%时,使用浸渍涂布,自然挥发溶剂制得玻璃纤维布、铁丝网作为支撑结构的硅树脂柔性导热贴片。导热贴片的导热系数随填料量的增加而增大,并且填料含量增大到一定程度时,导热贴片的导热系数反而下降。数据表明A1N/硅树脂比SiC/硅树脂、Cu@C/硅树脂的导热效果更好。(3)多层石墨、碳纳米管填充硅树脂制备导热硅树脂与实验研究以多层石墨、MWNT为填料采用旋转搅拌球磨法制备了导热硅树脂。导热填料均匀的分布在硅树脂基体内,并且填料含量增大到一定程度,导热填料粒子可以相互连接,并形成导热网链。多层石墨/硅树脂的导热系数随着多层石墨的填充量先增大,当填料填充到一定程度时开始下降,并且多层石墨/硅树脂的导热系数高于AlN/硅树脂、SiC/硅树脂。当多层石墨填充质量分数达到45%时,复合材料导热系数达到了最大2.26W/m·K,而AlN/硅树脂、SiC/硅树脂的最高导热系数分别为0.64 W/m·K、0.445 W/m·K,而MWNT/硅树脂只要填充很少的质量分数的填料就能达到很高的导热系数值,当填充量为10%时导热系数达到2.58 W/m·K,四种导热硅树脂导热系数相对纯硅树脂分别提高了2568%、506%、727%、2931%;导热填料的加入可以提高硅树脂的热稳定性,提高硅树脂的氧化分解起始温度,延缓最终分解温度,其热稳定性高于纯硅树脂。(4)导热塑料的制备与实验研究采用机械混合法制备了多层石墨、石墨分别填充PE、GPE热复合材料。在加工工艺相同的条件下,导热填料种类、添加量都会对导热塑料的导热性能、热稳定性、电阻率以及力学性能产生影响,结果表明:所得复合材料拉伸强度和冲击强度随填充量的增加呈下降趋势,导热系数随着填料含量的增加而增大,在相同的填充量时,多层石墨/PE复合材料的导热系数较高,多层石墨/PE、石墨/PE、多层石墨/GPE、石墨/GPE填充的导热系数在填充量为300p-时分别达到了14.31 W/m·K,6.72 W/m·K,6.50 W/m·K,5.98 W/m·K。导热系数相对空白PE、GPE分别提高了4710%、2166%、2167%、1929%。多层石墨、石墨填充PE、GPE制备的导热塑料的热稳定性均比纯PE、GPE的热稳定性好。
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