环氧基复合材料的导热性能研究
发布时间：2021-06-09 13:46
随着电子封装技术的发展,电子产品的微型化造成了电子产品在高频工作下的热量累积无法及时散出,限制了电子产品的进一步发展,环氧树脂作为一种常用的电子封装材料由于其本身的低热导率和性能缺陷限制了其在高性能封装领域的应用,因此制备具有高热导率高性能的环氧树脂基复合材料对于电子产品的进一步发展具有重要意义。本文采用有机硅改性环氧树脂改善环氧树脂性能缺陷并以此为基体添加Al2O3和石墨作为导热填料制备了一系列复合材料。主要内容如下:采用与环氧树脂混溶性好带有反应性基团的SH-023-7与陶氏332共混制备了有机硅改性环氧树脂,通过对材料的导热性能、DSC、TGA的分析表征,SH-023-7含量为15%时,改性树脂的热导率最大为0.25W/（m·K）,相比纯的环氧树脂有所提高,有机硅加入降低了环氧树脂的玻璃化转变温度,增加了材料的柔性和可加工性能,提高了环氧树脂的热稳定性。本文采用多巴胺表面修饰Al2O3粒子并与SEP树脂共混制备导热复合材料,通过对材料的导热性能、FTIR、XRD、SEM、TEM、DSC、TGA...
【文章来源】：贵州大学贵州省 211工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.1双酚A型环氧树脂
电子、声子和光子都可以作为固体导热的载体。晶体材料主要依靠晶格振动来传递热量,晶格振动是量子化的,通常被称作声子。非晶体材料具有远程无序,近程有序的结构,通常可以将其视作晶粒极细的晶体材料。因此,聚合物材料主要依靠声子来进行传热。当热量传递到聚合物分子链时引起原子的振动,热量得以传递,热量在传递过程中也会引起聚合物分子链中原子的无序振动和旋转,这显着降低了聚合物材料的导热性,聚合物材料的热传导机理如图1.2所示。目前填充型导热高分子材料导热机理的理论主要有三种:导热通路理论、逾渗理论和热弹性系数理论。最为普遍的是导热通路理论,其主要内容是复合材料的热导率取决于基体和填料间协同作用,填料含量低时聚合物基体是连续相,填料是分散相,基体与填料形成海岛结构,填料被聚合物基体所包覆,随着填料的添加,填料之间相互接触形成局部导热通道。若继续增加填料,局部的导热通道相互连接贯穿,基体和填料都成为连续相,填料形成的导热通道与基体相互贯穿使导热性能大大提升。Li Jing[15]等人采用碳纤维制备了高效导热涂层,填料相互重叠形成通道,当填料含量为12.3%时,热导率达到1.61W/(m·K),将其涂附在发动机气缸以测试其散热性能,15分钟后与没有涂层的气缸相比温差达到15℃,散热效果明显。但是这种机理无法解释热导率随导热填料的添加热导率急剧增加的逾渗行为,也无法解释复合材料热导率随粒径减小而降低的现象,由于导热通路理论早期是类比于导电而形成导热链,而复合材料的电导率会由于填料粒径小分散好而形成更好的导电网络而升高,但是复合材料的热导率却与之相反。用于解释填充型导热高分子材料导热机理的理论还有逾渗理论,类似于填充型导电高分子材料的逾渗现象,但这种理论存在争议,导电填料与聚合物的电导率相差很大,而热导率却相差幅度不大,研究者认为过小的差异使复合材料不足以产生导热逾渗现象,普通填料即使在填料用量很宽的范围内也很难观察到逾渗现象,只有具有极高热导率的填料粒子才可以观察到逾渗现象,逾渗转变点附近的聚合物电导率急剧升高,而聚合物的热导率变化幅度却不大,电子由于隧道效应可以穿过聚合物势垒而导电,但声子却不能,填料与聚合物基体间存在巨大的界面热阻,即使填料含量在逾渗转变点以上热导率依然很低。
热弹性系数理论的主要内容将热导率看作是声子传热过程的热弹性系数,复合材料热导率并不是一个依赖于路径的性质,而应当是一种取决于材料整体特性的宏观性质[17]。复合材料热导率提高是由于复合材料体系整体热弹性的组合增强所造成。复合材料的热导率随着导热填料的添加不会发生急剧增加,而是呈现逐渐增加的趋势。图1.3为复合材料热振动增强示意图,图中含有黑粗折线的椭圆代表导热填料,细折线代表基体树脂,小空椭圆代表空隙和杂质等结构缺陷。导热填料和基体树脂分别是具有不同热导率的两相。声子的传播和波相似,声子在填料与基体的界面处会由于反射、干涉、折射或者阻滞等现象发生散射。在材料的缺陷处会加剧声子散射。填料与基体之间的界面会显著降低复合材料的热导率。由于小粒径填料较大粒径填料有更大的比表面积,会造成更多的声子传递界面,存在更大的界面热阻。因此这种理论很好解释了复合材料热导率会随填料粒径减小而降低的现象。但复合材料热导率的逾渗现象依然无法用这种理论来解释。聚合物纳米复合材料也观察到了在电逾渗阈值下的类似导电聚合物的热逾渗行为,但是热性能与电性能有很大不同,聚合物的电性能很差可以忽略,只有导电填料有利于导电,在热情况下,没有绝对的热绝缘体,聚合物基质不能被忽略,这种行为的更基本原因是由于界面热阻或者组分的固有热导率,与几何因素有关,热逾渗行为没有明确的证据来证明。因此,在激烈的争论中,这种复合材料的增强是否应该根据热逾渗或有效介质理论进行解释仍然是一个问题[18]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]表儿茶素修饰BN对BN@表儿茶素/环氧树脂复合材料性能的影响[J]. 石倩,雷华,苏亚,王鹏. 复合材料学报. 2020(04)
[2]无溶剂有机硅改性环氧涂料的制备及其性能研究[J]. 郑泽禹,魏铭,刘晓芳,李圆,李博,王睿,柯须仁. 表面技术. 2018(12)
[3]碳纳米管-膨胀石墨/环氧树脂复合材料的导热性能[J]. 刘艳杰,陆江银,李玲,武晓峰,崔彦斌. 过程工程学报. 2018(03)
[4]高导热环氧树脂复合电介质研究现状[J]. 杜伯学,孔晓晓,李进,张程. 绝缘材料. 2017(08)
[5]碳纳米管-纳米ZnO改性环氧复合材料的制备与性能[J]. 祁蓉,王劲,张立,尚磊,齐暑华. 材料导报. 2016(S1)
[6]仿贻贝黏附性多巴胺的研究与应用进展[J]. 李珍妮,邓字巍. 高分子材料科学与工程. 2015(01)
[7]聚合物导热材料的研究进展[J]. 张学锋,何杰. 上海塑料. 2013(02)
[8]Fe3O4-MWCNTs在环氧树脂中的定向排列[J]. 陈伟,郑亚萍. 复合材料学报. 2013(06)
[9]粉体形貌和粒径对环氧树脂复合物导热性能的影响[J]. 韦衍乐,饶保林,曾柏顺,虞锦洪. 绝缘材料. 2013(02)
[10]聚合物基导热绝缘复合材料导热机理及应用研究[J]. 李珺鹏,齐暑华,谢璠. 材料导报. 2012(03)
博士论文
[1]基于微/纳米结构单元的有序组装制备高导热复合材料[D]. 么依民.中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院) 2018
硕士论文
[1]反应诱导相分离增韧双酚A环氧树脂交联网络的制备及性能研究[D]. 李庆.北京化工大学 2019
[2]电子封装用环氧树脂固化工艺优化研究[D]. 康峻铭.武汉理工大学 2019
[3]端环氧基硅氧烷改性环氧树脂的性能研究[D]. 孙越.浙江大学 2019
[4]基于石墨烯的高导热复合材料的制备及性能研究[D]. 黄竹品.安徽大学 2019
[5]LED封装用有机硅改性环氧树脂的制备与性能[D]. 黄云欣.华南理工大学 2012
[6]有机硅改性环氧导热绝缘胶的研究[D]. 张宪国.浙江大学 2004
本文编号：3220691
【文章来源】：贵州大学贵州省 211工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1.1双酚A型环氧树脂
电子、声子和光子都可以作为固体导热的载体。晶体材料主要依靠晶格振动来传递热量,晶格振动是量子化的,通常被称作声子。非晶体材料具有远程无序,近程有序的结构,通常可以将其视作晶粒极细的晶体材料。因此,聚合物材料主要依靠声子来进行传热。当热量传递到聚合物分子链时引起原子的振动,热量得以传递,热量在传递过程中也会引起聚合物分子链中原子的无序振动和旋转,这显着降低了聚合物材料的导热性,聚合物材料的热传导机理如图1.2所示。目前填充型导热高分子材料导热机理的理论主要有三种:导热通路理论、逾渗理论和热弹性系数理论。最为普遍的是导热通路理论,其主要内容是复合材料的热导率取决于基体和填料间协同作用,填料含量低时聚合物基体是连续相,填料是分散相,基体与填料形成海岛结构,填料被聚合物基体所包覆,随着填料的添加,填料之间相互接触形成局部导热通道。若继续增加填料,局部的导热通道相互连接贯穿,基体和填料都成为连续相,填料形成的导热通道与基体相互贯穿使导热性能大大提升。Li Jing[15]等人采用碳纤维制备了高效导热涂层,填料相互重叠形成通道,当填料含量为12.3%时,热导率达到1.61W/(m·K),将其涂附在发动机气缸以测试其散热性能,15分钟后与没有涂层的气缸相比温差达到15℃,散热效果明显。但是这种机理无法解释热导率随导热填料的添加热导率急剧增加的逾渗行为,也无法解释复合材料热导率随粒径减小而降低的现象,由于导热通路理论早期是类比于导电而形成导热链,而复合材料的电导率会由于填料粒径小分散好而形成更好的导电网络而升高,但是复合材料的热导率却与之相反。用于解释填充型导热高分子材料导热机理的理论还有逾渗理论,类似于填充型导电高分子材料的逾渗现象,但这种理论存在争议,导电填料与聚合物的电导率相差很大,而热导率却相差幅度不大,研究者认为过小的差异使复合材料不足以产生导热逾渗现象,普通填料即使在填料用量很宽的范围内也很难观察到逾渗现象,只有具有极高热导率的填料粒子才可以观察到逾渗现象,逾渗转变点附近的聚合物电导率急剧升高,而聚合物的热导率变化幅度却不大,电子由于隧道效应可以穿过聚合物势垒而导电,但声子却不能,填料与聚合物基体间存在巨大的界面热阻,即使填料含量在逾渗转变点以上热导率依然很低。
热弹性系数理论的主要内容将热导率看作是声子传热过程的热弹性系数,复合材料热导率并不是一个依赖于路径的性质,而应当是一种取决于材料整体特性的宏观性质[17]。复合材料热导率提高是由于复合材料体系整体热弹性的组合增强所造成。复合材料的热导率随着导热填料的添加不会发生急剧增加,而是呈现逐渐增加的趋势。图1.3为复合材料热振动增强示意图,图中含有黑粗折线的椭圆代表导热填料,细折线代表基体树脂,小空椭圆代表空隙和杂质等结构缺陷。导热填料和基体树脂分别是具有不同热导率的两相。声子的传播和波相似,声子在填料与基体的界面处会由于反射、干涉、折射或者阻滞等现象发生散射。在材料的缺陷处会加剧声子散射。填料与基体之间的界面会显著降低复合材料的热导率。由于小粒径填料较大粒径填料有更大的比表面积,会造成更多的声子传递界面,存在更大的界面热阻。因此这种理论很好解释了复合材料热导率会随填料粒径减小而降低的现象。但复合材料热导率的逾渗现象依然无法用这种理论来解释。聚合物纳米复合材料也观察到了在电逾渗阈值下的类似导电聚合物的热逾渗行为,但是热性能与电性能有很大不同,聚合物的电性能很差可以忽略,只有导电填料有利于导电,在热情况下,没有绝对的热绝缘体,聚合物基质不能被忽略,这种行为的更基本原因是由于界面热阻或者组分的固有热导率,与几何因素有关,热逾渗行为没有明确的证据来证明。因此,在激烈的争论中,这种复合材料的增强是否应该根据热逾渗或有效介质理论进行解释仍然是一个问题[18]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]表儿茶素修饰BN对BN@表儿茶素/环氧树脂复合材料性能的影响[J]. 石倩,雷华,苏亚,王鹏. 复合材料学报. 2020(04)
[2]无溶剂有机硅改性环氧涂料的制备及其性能研究[J]. 郑泽禹,魏铭,刘晓芳,李圆,李博,王睿,柯须仁. 表面技术. 2018(12)
[3]碳纳米管-膨胀石墨/环氧树脂复合材料的导热性能[J]. 刘艳杰,陆江银,李玲,武晓峰,崔彦斌. 过程工程学报. 2018(03)
[4]高导热环氧树脂复合电介质研究现状[J]. 杜伯学,孔晓晓,李进,张程. 绝缘材料. 2017(08)
[5]碳纳米管-纳米ZnO改性环氧复合材料的制备与性能[J]. 祁蓉,王劲,张立,尚磊,齐暑华. 材料导报. 2016(S1)
[6]仿贻贝黏附性多巴胺的研究与应用进展[J]. 李珍妮,邓字巍. 高分子材料科学与工程. 2015(01)
[7]聚合物导热材料的研究进展[J]. 张学锋,何杰. 上海塑料. 2013(02)
[8]Fe3O4-MWCNTs在环氧树脂中的定向排列[J]. 陈伟,郑亚萍. 复合材料学报. 2013(06)
[9]粉体形貌和粒径对环氧树脂复合物导热性能的影响[J]. 韦衍乐,饶保林,曾柏顺,虞锦洪. 绝缘材料. 2013(02)
[10]聚合物基导热绝缘复合材料导热机理及应用研究[J]. 李珺鹏,齐暑华,谢璠. 材料导报. 2012(03)
博士论文
[1]基于微/纳米结构单元的有序组装制备高导热复合材料[D]. 么依民.中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院) 2018
硕士论文
[1]反应诱导相分离增韧双酚A环氧树脂交联网络的制备及性能研究[D]. 李庆.北京化工大学 2019
[2]电子封装用环氧树脂固化工艺优化研究[D]. 康峻铭.武汉理工大学 2019
[3]端环氧基硅氧烷改性环氧树脂的性能研究[D]. 孙越.浙江大学 2019
[4]基于石墨烯的高导热复合材料的制备及性能研究[D]. 黄竹品.安徽大学 2019
[5]LED封装用有机硅改性环氧树脂的制备与性能[D]. 黄云欣.华南理工大学 2012
[6]有机硅改性环氧导热绝缘胶的研究[D]. 张宪国.浙江大学 2004
本文编号：3220691
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