氮化硼机械剥离与功能化及其导热复合材料的研究

来源 :长春理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jianghui_one
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随着微电子领域的快速发展以及5G通讯的推进,各种大功率元件与电路的热管理问题正急需解决。常作为保护电路的绝缘电子封装级高分子材料由于其自身的导热性能较差,需要简单、廉价的方法对导热性能进行提升。而向高分子材料中添加导热增强填料制成复合材料这种方法正具备这种特点。其中六方氮化硼(hBN)不但有着优异的物理化学性质,并且还有绝缘、高导热的特性具有较大的研究意义。为了解决六方氮化硼作为填料表面化学惰性大而与高分子材料相互作用力差导致的分散性差等问题,需要以一种简便、低成本和可规模化的方法对其进行剥离与改性。另外,如何在低填量下增强复合材料导热性能以避免由于过量添加导致复合材料加工性以及强度的劣化也是研究的重点。本文主要研究了机械球磨法的各种参数对于剥离效果的影响以获得最佳球磨条件,再通过最佳条件以机械球磨法利用尿素作为球磨助剂对hBN进行同步的剥离与功能化,之后再利用得到的产物作为填料,通过溶液将填料分散于环氧树脂基体中制备复合材料,提升复合材料的导热性能。具体的研究内容和结果为:(1)从探究机械球磨hBN的工作规律入手,采用不同球磨参数制备BNNS并分析其尺寸与厚度的变化。研究发现当球磨剂的表面张力近似于hBN时会吸附于hBN表面而缓冲球磨的冲击力作用进而使BNNS的尺寸变化减小;当球料比从10-1增加到25-1、50-1后,由于球料间冲击机会过大而使粉料产生团聚进而降低球磨效率;转速从200 r/min增加到400 r/min后,球磨从泄落运动转变为抛落运动,抛落运动会产生较强的冲击力和剪切力。转速超过临界值800 r/min到达1000 r/min后,抛落将转变为仅剪切力较强的离心运动;球磨时间从2 h增加到16 h后,hBN尺寸和厚度逐渐减小,但时间从16 h增加到32 h时,过长的时间会使小尺寸的BNNS由于表面能过大而产生团聚会导致球磨效率降低。(2)从探究尿素辅助球磨hBN的剥离与功能化机理入手,分别采用干磨和湿磨,不同的尿素-hBN质量比制备了功能化BNNS并分析其尺寸厚度变化以及官能团接枝含量的变化。研究发现干磨和湿磨均可通过球磨的冲击力使尿素分解并获得有氨基基团以共价键形式接枝的BNNS,并且由于尿素分子在水的辅助下流动性更强,湿磨得到的BNNS尺寸分布在150-300 nm相比干磨的200-600 nm更均匀,并且在球磨的强冲击力下可以更高的效率对hBN进行功能化,在等量剂料比下湿磨的氨基接枝量可达8.90%高于干磨的6.22%。在湿磨条件下,剂料比从1-1增加到16-1时,会由于大量尿素分子吸附于hBN表面而缓冲冲击力作用,hBN的剥离效果会被削弱,不过同时也会提供更多官能团,使接枝量从1-1时的1.30%增加到16-1时的12.26%。另外若剂料比增加到64-1时,尿素溶液会析晶阻碍球料的运动导致球磨冲击力大幅削弱,进而使hBN的剥离和功能化效果变差,接枝量仅为4.27%。(3)从构建低填量导热网络入手,制备了以多种形态hBN作为填料的环氧树脂复合材料。研究了不同环氧树脂复合材料的性能,主要包括hBN的尺寸、hBN的功能化、以及混合不同尺寸的hBN的比例对于复合材料导热性能的影响。结果表明在相同填量下hBN尺寸的减小有利于导热网络的形成,hBN的功能化可减小界面热阻,混合尺寸可以使小尺寸hBN填补大尺寸hBN的空隙构成更完整的导热网络,并增加填料的利用率。样品中对导热系数提升最大的是在混合填料总填量为10 wt%,大/小尺寸hBN的比例为2.5/7.5时,复合材料的导热系数可达0.384 W/m K,相比纯环氧树脂提升了96%,且热稳定性也得到了提升。
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