高导热、电磁屏蔽聚亚苯基砜复合材料的制备与性能研究

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随着第五代移动通信技术(5G)的发展,电子器件正朝着小型化,轻薄化,高速化以及高度集成化的方向发展,使得电子产品的功耗不断增大,热量逸散困难,严重限制下一代新型电子元器件的发展。同时,电磁波的辐射污染问题日益凸显,导致敏感电子元件的使用寿命降低,危害人类健康。传统的导热材料(TC)和电磁干扰(EMI)材料,如铝箔和铜箔,由于密度大、耐腐蚀性差,已不能满足现代通信、智能电子设备、汽车和消费电子等领域的需求。高分子材料因其轻质,耐化学腐蚀性,抗冲击性,耐热疲劳,易加工成型等优势,广泛应用于工业,微电子,能源,航天等领域。但由于高分子材料是电与热的不良导体,高分子聚合物导热率、导电率以及电磁屏蔽效能普遍较低,限制了其在导热、散热领域以及电磁干扰领域的应用范畴。基于谢昆诺夫(S.A.Schelkunoff)的平面电磁波传导理论,优异的导电性能与完善的导电网络结构是导电型电磁屏蔽复合材料获得高屏蔽效能的先决条件。目前国内外制备导热导电材料的常用方法是将功能性填料,如石墨烯,MXene,碳纳米管等,与高分子树脂基体共混,通过填料在基体内部有效搭接,构建连续的导热导电网络,达到显著提升热传导能力和导电性能的目的。本论文中我们主要针对纳米石墨片的表面修饰以及多种功能性填料的协同作用构建高热导电通路做了一些研究,主要的研究可以分为以下两个部分。首先采用化学镀技术对纳米石墨片进行表面修饰,在纳米石墨片表面沉积金属镍,制备具有核壳结构的Gn Ps@Ni高导电杂化填料,然后通过溶液共混法与聚亚苯基砜复合,经模具热压成型工艺制备Gn Ps@Ni/PPSU复合材料。研究发现制备的功能性复合材料在填充量为40 wt%时,面外导热系数可达2.7 Wm-1K-1,面内导热系数可达3.7 Wm-1K-1,相比于纯PPSU树脂提升10倍和14倍,此外探讨了填料取向度对导热各向异性的影响并通过Agari模型对导热数据进行拟和分析,进一步对导热机理进行分析。此外,经测试该材料具有良好的导电率、电磁屏蔽效能,和优越的热稳定性,可作为在高温条件下使用的高导热、电磁屏蔽材料。通过多巴胺在碱性条件下氧化自聚对纳米石墨片表面进行功能化修饰,再与多壁碳纳米管复合,制备Gn Ps@PDA-MWCNTs杂化填料。将上述杂化填料与聚亚苯基砜(PPSU)通过溶液共混,经过简单的热压工艺制备复合材料。研究发现制备的功能性复合复合材料在填充量为17.6 vol%时,面外导热率可达3.7 Wm-1K-1,面内导热率可达5.4 Wm-1K-1.相比于纯PPSU树脂导热率提升了14倍和20倍。由于纳米石墨片对碳纳米管的干扰和隔离,促进碳纳米管在基体中的分步与分散,借助相互的协同作用建立利于声子传递的导热通路。修饰后的纳米石墨片的表面自由能降低,有助于提高填料的分散性,提高与高分子基体的界面结合力,进而降低界面热阻。材料具有良好的导电性能,EMI SE最高可达62.9 d B。并在高温条件下表现较低的热膨胀系数,较高的玻璃化转变温度和热分解温度。
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