新型纳米银及银/纳米碳管复合导电胶的制备及其性能研究

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本文采用液相化学还原法、两步液相还原法和水热法成功制备了各种不同形貌和尺寸的纳米银,采用化学镀法在纳米碳管上成功包覆了纳米银,并将制备的纳米银和纳米碳管/银复合粉体作为导电胶的导电填料,改善了导电胶的电学性能、力学性能、耐老化和耐腐蚀性能。本文的主要研究内容和创新点归纳如下:(1)采用液相化学还原法,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等不同表面活性剂成功制备了形貌为短棒状、片状无定形和片层状纳米银粉。利用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)进行观察,其中制备的短棒状纳米银粉粒径尺度均一,在100nm左右,长径比在2:1-5:1。采用X射线衍射分析(XRD)表明短棒状银粉为单质银,呈面心立方结构。采用两步液相还原法成功制备了三角片状银粉,采用水热法成功制备了球状纳米银粉。 (2)采用Ni-SiO2二元气凝胶为催化剂,采用化学气相沉积法可制备出不同管径的纳米碳管。利用该法制备出来的纳米碳管纯度较高,热稳定性较好。利用TEM、粉末体积电阻率仪、氮气吸附测试仪和XRD等分析手段研究纳米碳管形态结构,结果表明:纳米碳管具有巨大的长径比,以中孔分布为主。纳米碳管的管径对纳米碳管的性能起着很大的影响,纳米碳管管径越大,越趋向于石墨化,电阻越低,并且内压能够增加纳米碳管粉末的导电性。纳米碳管的管径越小,粉末的比表面积和孔容越大。 (3)采用化学镀法,十二烷基磺酸钠(SDS)作为表面活性剂,NaBH4作为还原剂滴定制备纳米银/纳米碳管(Ag/CNTs)复合粉体;经SEM和TEM下观察,纳米碳管表面银包覆均匀,包覆层厚度约10-20nm:经XRD表征包覆层为单质银。试验发现:反应物质量比对于包覆效果的影响很大,其中AgNO3:CNTs=2:1时包覆最为均匀,包覆层厚度约20nm。在1000N压力下,该复合粉体的粉末体积电阻率约为1.61×10-Ω·m,这比在相同压力下纯纳米碳管的体积电阻率小了近两个数量级。 (4)采用双酚A型环氧树脂(E-51)作为基体,三乙醇胺作为固化剂,邻苯二甲酸二丁酯作为增塑剂,三者比例为100:15:10,然后加入一定量的导电粉体(纳米银粉和微米银粉按一定质量比的混合粉体),在120℃下加压0.5kg/cm2固化3h,制备得银导电胶,经SEM观察,网络结构紧密,孔隙较少。纳米银粉的加入在一定程度上减缓了金属银的氧化作用,并降低了电迁移,可以有效地降低导电胶的体积电阻率、提高连接强度、增强导电胶的耐老化性能和耐腐蚀性,并且可以减少银粉总用量大约10-15%。 (5)加入极少量的Ag/CNTs粉体就可以显著提高导电胶的各项性能。试验表明:当复合粉体加入量占导电胶总质量的0.8%,而微米银粉占导电胶总质量的70%时,导电胶具有1.35×10-4Ω·cm低电阻率,连接强度高达20.0MPa,并且具有非常好的耐老化性能和耐腐蚀性能,具有最佳的经济效益,同时说明CNTs的优异力学性能和化学稳定性同样赋予了导电胶优异的性能。
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