聚间苯二甲酰间苯二胺导热复合材料的制备及其性能研究
发布时间：2021-10-31 00:11
随着科学技术的发展,电子集成系统越来越微观化、高功率化,在电子芯片上,厘米尺寸就有上百亿个晶体管（华为5G芯片含有103亿个晶体管）。芯片中数目众多的晶体管工作时其本征电阻会产生大量废热,导致器件温度快速上升,影响器件工作效率。传统的电子封装材料、热界面材料、导热电子基板、间隙填充材料等所使用的聚合物材料极限工作温度较低,如聚丙烯、聚乙烯、环氧树脂等均低于100℃,长时间高温条件下工作会引起材料内部结构发生变化,导致其性能下降。为了满足电子电气和高端领域发展的需求,需要制备具有散热功能的高性能聚合物基电子材料来替代传统的聚合物基电子材料;目前耐高温聚合物主要有聚酰亚胺（PI）、聚间苯二甲酰间苯二胺（PMIA）、聚醚醚酮（PEEK）等,这些聚合物具有很高的玻璃化转变温度,即使在高温环境中长时间使用性能也不会明显下降。但由于聚合物特殊的化学结构,内部没有传输热量的载体,导致大部分聚合物的导热系数都很低（<0.3 W/（m·K））,不能将器件内部产生的废热及时导出;为了改善高性能聚合物的导热性能,目前通用的方法是将具有高导热系数的填料加入到聚合物基体中来制备高性能聚合物基导热复合材料;...
【文章来源】：东华大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：161 页
【学位级别】：博士
【图文】：
超拉伸聚乙烯纳米纤维取向示意图[6]
仅对几种常见的金属导热填料进行简单介绍。当Ag作为导热填料时，其形状、尺寸、添加量都会对聚合物基体的导热性能产生很大的影响。有研究人员将Ag纳米粒子用于相变材料领域，制备的相变材料具有良好的导热效果[13]；Carlberg等[14]通过静电纺丝法制备了表面多孔的聚酰亚胺纳米纤维，随后将Ag纳米颗粒均匀的沉积在聚酰亚胺纳米纤维表面；制备的复合纤维导热系数提高至27W/(m·K)，是一种很有前景的热界面材料，其制备流程如图1-2所示。此外，还可以将Ag粒子与其他导热粒子共用来改善聚合物基体的导热性能[15-16]。图1-2Ag@PI复合材料的制备流程[14]Figure1-2TheexperimentalprocessofpreparingofAg@PIcompositesCu由于其良好的导热性能，在工业上广泛用做导热覆铜板。作为导热填料，其高导热特性可以显著改善聚合物基体的导热性能。Yu等[17]通过电泳方法在聚苯乙烯(PS)小球外部镀上一层铜膜，形成Cu@PS核壳结构复合粒子，随后复合Cu@PS小球在5.6MPa，260℃条件下热压60min，制得Cu-p-PS复合材料，相比于将铜粒子与PS小球直接共混热压制备的Cu/PS复合材料，Cu-p-PS复合材料的导热系数在Cu含量为23vol%时为26.14W/(m·K)，是Cu/PS复合材料导热系数的145倍。此外，还有学者将铜纳米线加入聚合物基体中，通过调节铜纳米线在聚合物基体中的排列取向，降低铜纳米线与聚合物基体的界面热阻来提高聚合物基体的导热性能[18-19]。Al的密度相较于其他金属材料较小，可用于制造热交换器、散热器及导热胶黏剂。当作为导热填料时，Al粒子的粒径、形状、表面状态等都会对制备的复合材料的导热性能产生明显影响。Zhou等[20]分别将微米和纳米尺寸表面自钝化的Al粒子按一定比例加入到聚偏氟乙烯(PVDF)基体中，研究发现当微米和纳米
东华大学聚间苯二甲酰间苯二胺导热复合材料的制备及其性能研究6尺寸的Al填料体积比为20:1时，制备的PVDF复合材料的导热系数达到3.258W/(m·K)，而当两种Al粒子填料体积比低于或高于20:1时，PVDF复合材料的导热系数均出现下降，相应的导热系数如图1-3所示。这说明不同尺寸Al粒子及添加比例对PVDF复合材料的导热性能有着显著的影响。Gong等[21]利用硅烷偶联剂及聚多巴胺对Al粒子表面进行化学改性来改善Al粒子与聚合物基体相容性，降低Al粒子与聚合物基体之间的界面热阻，减少声子在传播过程中的散射损耗。研究结果表明，表面接枝硅烷偶联剂并包裹聚多巴胺涂层的Al填料不但可以明显改善聚合物基体的导热性能，同时还可以提升聚合物基体的介电常数。图1-3不同尺寸Al填料含量对复合材料的导热性能的影响[20]Figure1-3TheeffectofvolumeproportionofdifferentAlsizeonthermalconductivitiesofcomposites1.3.2碳基填料碳基填料具有轻质、耐腐蚀、高导热率等优点，近年来成为制备聚合物基导热复合材料的热门选择。目前制备聚合物基导热复合材料的碳基填料主要有：碳纳米管（轴向导热系数6000W/(m·K)）、碳纤维（轴向导热系数700W/(m·K)）、石墨烯（面内导热系数4000W/(m·K)）等，但同金属填料一样，碳系填料一般都具有良好的导电性，当制备绝缘导热复合材料时，需要碳基填料进行表面处理，降低其导电性能，以提升所制备复合材料的绝缘性能。碳纳米管(CNTs)可分为单壁、双壁和多壁碳纳米管。由于CNTs具有极高的导热系数和长径比，在聚合物基体中能够相互接触形成导热通路，是理想的导电导热填料；Yuan等[22]选用胆酸钠分别改性了聚氨酯（PU）和尼龙12（PA12）颗粒表面，提升了多壁碳管(MWCNTs)与PU和PA12基体的界面亲和性；随后利用热压
【参考文献】：
期刊论文
[1]聚酰亚胺基导热复合材料研究进展[J]. 王海涛,丁栋梁,刘乾,陈妍慧,张秋禹. 高分子材料科学与工程. 2019(08)
[2]x-PA6/PA66/球形氧化铝导热绝缘复合材料的制备与性能[J]. 甘典松,陈如意,王雄刚,宋克东,黄安民,邓凯桓. 塑料工业. 2013(11)
[3]聚合物基绝缘导热复合材料的研究进展[J]. 李名英,周曦亚,王达,万杰. 材料导报. 2013(01)
[4]炭黑的表面修饰及其对炭黑/硅橡胶导热性能的影响[J]. 王纪斌,鲍宇彬,李秋影,吴驰飞. 复合材料学报. 2012(05)
[5]本征型导热高分子材料[J]. 周文英,张亚婷. 合成树脂及塑料. 2010(02)
硕士论文
[1]BNNS/CNF导热取向膜的制备及其在环氧复合材料中的应用研究[D]. 陈璐.中国科学技术大学 2019
本文编号：3467678
【文章来源】：东华大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：161 页
【学位级别】：博士
【图文】：
超拉伸聚乙烯纳米纤维取向示意图[6]
仅对几种常见的金属导热填料进行简单介绍。当Ag作为导热填料时，其形状、尺寸、添加量都会对聚合物基体的导热性能产生很大的影响。有研究人员将Ag纳米粒子用于相变材料领域，制备的相变材料具有良好的导热效果[13]；Carlberg等[14]通过静电纺丝法制备了表面多孔的聚酰亚胺纳米纤维，随后将Ag纳米颗粒均匀的沉积在聚酰亚胺纳米纤维表面；制备的复合纤维导热系数提高至27W/(m·K)，是一种很有前景的热界面材料，其制备流程如图1-2所示。此外，还可以将Ag粒子与其他导热粒子共用来改善聚合物基体的导热性能[15-16]。图1-2Ag@PI复合材料的制备流程[14]Figure1-2TheexperimentalprocessofpreparingofAg@PIcompositesCu由于其良好的导热性能，在工业上广泛用做导热覆铜板。作为导热填料，其高导热特性可以显著改善聚合物基体的导热性能。Yu等[17]通过电泳方法在聚苯乙烯(PS)小球外部镀上一层铜膜，形成Cu@PS核壳结构复合粒子，随后复合Cu@PS小球在5.6MPa，260℃条件下热压60min，制得Cu-p-PS复合材料，相比于将铜粒子与PS小球直接共混热压制备的Cu/PS复合材料，Cu-p-PS复合材料的导热系数在Cu含量为23vol%时为26.14W/(m·K)，是Cu/PS复合材料导热系数的145倍。此外，还有学者将铜纳米线加入聚合物基体中，通过调节铜纳米线在聚合物基体中的排列取向，降低铜纳米线与聚合物基体的界面热阻来提高聚合物基体的导热性能[18-19]。Al的密度相较于其他金属材料较小，可用于制造热交换器、散热器及导热胶黏剂。当作为导热填料时，Al粒子的粒径、形状、表面状态等都会对制备的复合材料的导热性能产生明显影响。Zhou等[20]分别将微米和纳米尺寸表面自钝化的Al粒子按一定比例加入到聚偏氟乙烯(PVDF)基体中，研究发现当微米和纳米
东华大学聚间苯二甲酰间苯二胺导热复合材料的制备及其性能研究6尺寸的Al填料体积比为20:1时，制备的PVDF复合材料的导热系数达到3.258W/(m·K)，而当两种Al粒子填料体积比低于或高于20:1时，PVDF复合材料的导热系数均出现下降，相应的导热系数如图1-3所示。这说明不同尺寸Al粒子及添加比例对PVDF复合材料的导热性能有着显著的影响。Gong等[21]利用硅烷偶联剂及聚多巴胺对Al粒子表面进行化学改性来改善Al粒子与聚合物基体相容性，降低Al粒子与聚合物基体之间的界面热阻，减少声子在传播过程中的散射损耗。研究结果表明，表面接枝硅烷偶联剂并包裹聚多巴胺涂层的Al填料不但可以明显改善聚合物基体的导热性能，同时还可以提升聚合物基体的介电常数。图1-3不同尺寸Al填料含量对复合材料的导热性能的影响[20]Figure1-3TheeffectofvolumeproportionofdifferentAlsizeonthermalconductivitiesofcomposites1.3.2碳基填料碳基填料具有轻质、耐腐蚀、高导热率等优点，近年来成为制备聚合物基导热复合材料的热门选择。目前制备聚合物基导热复合材料的碳基填料主要有：碳纳米管（轴向导热系数6000W/(m·K)）、碳纤维（轴向导热系数700W/(m·K)）、石墨烯（面内导热系数4000W/(m·K)）等，但同金属填料一样，碳系填料一般都具有良好的导电性，当制备绝缘导热复合材料时，需要碳基填料进行表面处理，降低其导电性能，以提升所制备复合材料的绝缘性能。碳纳米管(CNTs)可分为单壁、双壁和多壁碳纳米管。由于CNTs具有极高的导热系数和长径比，在聚合物基体中能够相互接触形成导热通路，是理想的导电导热填料；Yuan等[22]选用胆酸钠分别改性了聚氨酯（PU）和尼龙12（PA12）颗粒表面，提升了多壁碳管(MWCNTs)与PU和PA12基体的界面亲和性；随后利用热压
【参考文献】：
期刊论文
[1]聚酰亚胺基导热复合材料研究进展[J]. 王海涛,丁栋梁,刘乾,陈妍慧,张秋禹. 高分子材料科学与工程. 2019(08)
[2]x-PA6/PA66/球形氧化铝导热绝缘复合材料的制备与性能[J]. 甘典松,陈如意,王雄刚,宋克东,黄安民,邓凯桓. 塑料工业. 2013(11)
[3]聚合物基绝缘导热复合材料的研究进展[J]. 李名英,周曦亚,王达,万杰. 材料导报. 2013(01)
[4]炭黑的表面修饰及其对炭黑/硅橡胶导热性能的影响[J]. 王纪斌,鲍宇彬,李秋影,吴驰飞. 复合材料学报. 2012(05)
[5]本征型导热高分子材料[J]. 周文英,张亚婷. 合成树脂及塑料. 2010(02)
硕士论文
[1]BNNS/CNF导热取向膜的制备及其在环氧复合材料中的应用研究[D]. 陈璐.中国科学技术大学 2019
本文编号：3467678
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