氮化硼修饰、导热复合材料和碳纤维氮化硼涂层的制备及性能研究

发布时间：2020-11-05 12:37

　　 随着现代社会科学技术的快速发展,先进电子设备为追求小尺寸的设计而将电路尺寸大幅度地减少,然而这样的设计使得设备出现高度集成,进一步促使大量的热积累在设备附件中,导致设备寿命相对较短。聚合物包装材料具有低导热系数,散热效率被降低。因此导热聚合物基复合材料具有非常重要的意义和良好的应用前景。氮化硼具有很多良好的性质,吸引了国内外众多研究学者的注意,例如优异的抗氧化性、良好的导热性、出色的耐热性、优异的抗腐蚀性和化学稳定性、电学性能以及良好的润滑性。氮化硼作为无机导热填料,与聚合物基复合材料之间的相容性较差,容易在聚合物基体中发生团聚,影响了导热性能的发挥。因此提高氮化硼与聚合物基体的相容性和分散性对提高聚合物基复合材料的导热性能非常重要。氮化硼由于其优异的抗氧化性能被广泛用在抗氧化领域,可以作为碳纤维表面的抗氧化涂层材料,但是传统溶液浸渍法存在两个缺陷,一是氮化硼前驱体的析出是一个随机过程,不能均匀分布在纤维表面。二是重力和毛细管作用力的存在极大地削弱了热处理中间过程的液态产物均匀覆盖纤维的能力。解决纤维氮化硼涂层存在的两个缺陷问题对于提高抗氧化涂层质量的意义重大。本文采用单宁酸作为非共价键改性剂,对六方氮化硼进行表面修饰。探究了改性体系中单宁酸的含量和改性时间对六方氮化硼的影响,发现当单宁酸含量为0.6g,1.2g,1.6g,改性时间为3h,6h,12h时,单宁酸的含量和改性时间并不会对六方氮化硼产生明显影响,并且单宁酸在六方氮化硼表面的附着量几乎相同。探究了单宁酸对六方氮化硼形貌的影响,发现单宁酸在其表面随机附着。研究了单宁酸修饰剂对六方氮化硼结构的影响,发现单宁酸不会对氮化硼的晶体结构产生影响。通过对修饰前后的氮化硼进行热稳定性分析发现,修饰六方氮化硼在低于250℃的时候表现出较好的稳定性。探究了修饰六方氮化硼在水、乙醇、丙酮、四氢呋喃、二甲亚砜这几种溶剂中的分散性,发现修饰六方氮化硼在这几种溶剂中的分散性较好,能够为扩大六方氮化硼的应用领域提供条件。制备了聚乙烯醇/六方氮化硼复合材料。研究了单宁酸对六方氮化硼在聚乙烯醇基体中分散性的影响,探究了导热填料含量和改性前后的导热填料对复合材料导热性能的影响,并对复合材料进行性能表征,对导热模型进行了拟合分析。结果表明单宁酸修饰六方氮化硼相比未经修饰的来说,能够在聚乙烯醇基体内均匀分散,有效提高复合材料的导热性能。这为生产质量轻、高导热的聚乙烯醇/六方氮化硼复合材料提供了新的思路,并且这种方法安全,环保无污染,操作简单,能够大规模生产。本文还系统研究了碳纤维氮化硼涂层的制备工艺。探究了浸渍溶胶的单体浓度、浸渍时间、浸渍干燥周期数对碳纤维表面形貌的影响。并通过对氮化硼前驱体浸渍凝胶的探究确定了碳纤维氮化硼涂层的制备工艺。还对传统的溶液浸渍法和改进之后的溶胶凝胶法浸渍形貌进行了对比。结果表明使用传统溶液浸渍法,经过较少的浸渍干燥周期,硼酸和尿素在碳纤维表面分别析出。即使提高浸渍干燥周期,氮化硼前驱体在纤维表面的析出量还是较少,并且不均匀。当氮化硼前驱体浸渍溶胶的单体浓度为0.376mol/L时,溶胶能够在纤维表面形成一层膜状物质,硼酸尿素在凝胶化过程中会被均匀分散在聚丙烯酰胺的网络化凝胶结构中。单体浓度过低时,溶胶不具备成膜能力。单体浓度过高会使得溶胶成膜能力丧失。探究发现,纤维最佳浸渍工艺是浸渍时间为3min,单体浓度为0.376mol/L,浸渍干燥周期为两次。对氮化硼前驱体凝胶研究发现,在温度为300℃时的中温阶段,保温时间的延长有利于提高六方氮化硼的结晶度,但是保温时间过长会对产物产生不利影响。高温氮化阶段保温时间的延长和氮化温度的提高有利于提高氮化硼的结晶度。综合考虑,选择中温阶段300℃保温90min,高温阶段850℃保温5h作为碳纤维氮化硼涂层的处理工艺。采用溶胶凝胶法制备氮化硼涂层的优点在于,丙烯酰胺单体的引入能够使得硼酸和尿素参与到凝胶化过程,从而它们能被固定在高分子网络结构中,达到均匀分散在纤维表面的目的。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33;TB306
【部分图文】：

图１．１?ｈ－ＢＮ与石墨的结构??Ｆｉｇ．?１．１?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ?ｏｆ?ｈ－ＢＮ?ａｎｄ?ｇｒａｐｈｉｔｅ??ＢＮ在很多物理化学性质方面具有得天独厚的优势。??（１）出色的抗氧化性??°

?ｈＫ??ＨＯ?ＯＨ??图３．１单宁酸结构??Ｆｉｇ．?３．１?Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｔａｎｎｉｃ?ａｃｉｄ??ｈ－ＢＮ含有由Ｂ、Ｎ原子构成的六元环结构，其表面形貌如图３．２所示。从??图３．２中可以看出ｈ－ＢＮ具有片层结构，在被单宁酸修饰之前，ｈ－ＢＮ片表面光滑，??没有任何的附着物。??图３．２?ｈ－ＢＮ表面形貌图??Ｆｉｇ．?３．２?Ｓｕｒｆａｃｅ?ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ?ｏｆ?ｈ－ＢＮ??图３．３为单宁酸对ｈ－ＢＮ修饰的机理。首先在Ｔｒｉｓ－ＨＣｌ缓冲溶液中，单宁酸??能够发生氧化自聚形成低聚物使得本身溶解度降低。其次含有大量邻苯二酚和邻??苯三酚的单宁酸具有高的表面粘附性，可以通过Ｔｗｉ相互作用吸附在ｈ－ＢＮ片的??表面。这几方面的原因使得单宁酸起到了修饰ｈ－ＢＮ的作用。单宁酸含有大量的??邻苯二酚和邻苯三酚结构使得单宁酸修饰后的ｈ－ＢＮ＠ＴＡ能够溶于水，并且其表??面含有的羟基还可以作为新的反应活性基团。??１９??

?（ｂ）?０．６ｇ；?（ｃ），?（ｄ）?１．２ｇ；?（ｅ），?（ｆ）?１．６ｇ??３．３．２?ｈ－ＢＮ＠ＴＡ?热分析??对ｈ－ＢＮ和功能化的ｈ－ＢＮ＠ＴＡ产物进行热重分析，如图３．５所示。从图３．５??中可以看出，在空气气氛下，直到达到８００°Ｃ，原始的ｈ－ＢＮ表现出很高的热稳??定性，不会发生任何分解。当单宁酸含量分别是０．６ｇ，１．２ｇ，１．６ｇ时，ｈ－ＢＮ＠ＴＡ??的失重率分别为３．９％，?３．３％，?４．６％，这说明在此修饰体系中单宁酸的添加量对??ｈ－ＢＮ改性结果影响相差不大，这些少量的单宁酸会通过非共价键作用对ｈ－ＢＮ??进行表面改性。同时从图３．５中还可以发现使用单宁酸通过非共价键改性得到的??ｈ－ＢＮ＠ＴＡ在低于２５０ｏＣ的时候表现出较好的稳定性，这表明ｈ－ＢＮ＠ＴＡ可以在??２１??
【参考文献】

相关期刊论文 前4条

1 葛雷;丘泰;杨建;;溶剂热法合成六方氮化硼纳米晶的影响因素研究[J];人工晶体学报;2009年06期

2 赵稼祥;先进复合材料的发展与展望[J];材料工程;2000年10期

3 陈晓虎;固态润滑剂六方氮化硼在陶瓷摩擦材料中的应用研究[J];陶瓷学报;1999年03期

4 顾则鸣;六方氮化硼的电子结构与润滑性能的关系的探讨[J];固体润滑;1982年02期

相关博士学位论文 前2条

1 焦守峰;功能化石墨烯纳米复合材料的制备及电化学传感应用[D];安徽师范大学;2015年

2 杜淼;氮化硼纳米片的制备及其性质研究[D];山东大学;2013年

相关硕士学位论文 前3条

1 韦永山;耐高温涂层碳纤维的制备及其性能研究[D];中南大学;2014年

2 王竹;陶瓷纤维表面涂层制备及物理性能研究[D];中南大学;2012年

3 姚璞玉;网络法制备氮化硼（BN）粉体的研究[D];沈阳大学;2011年

本文编号：2871648