有序排列氮化硼/聚合物复合材料的可控制备与导热性能研究

随着现代电子设备向微型化、集成化、多功能化方向发展,其在运行过程中产生的热量难以及时排出,导致设备由于累积热量使部分区域的温度过高,产生“热斑”问题,长期的高温会严重影响设备的性能、可靠性以及使用寿命。具有优异导热性能的热管理材料可以实现热量的快速传输,从而解决局部区域的“热斑”问题。由于聚合物易加工、低成本、轻质,聚合物基复合材料是很好的热管理材料。尤其是,由于聚合物具有绝缘的特性,设计制备高热导率的聚合物基复合材料能同时满足部分热管理材料对绝缘性能的要求。通常,聚合物的热导率是0.1-0.5 W/(m·K),这个热导率范围不能满足设备对导热性能的要求。通过在聚合物中添加高热导率的无机陶瓷填料(比如:氧化铝、氮化铝、氮化硼等)可以改善复合材料的导热性能。填充型聚合物基复合材料的热导率的增加通常需要极高的填料含量,不可避免地带来了制备方法和加工条件的困难。因此,发展复合材料的制备方法对于实现高热导率的聚合物基复合材料非常重要。六方氮化硼(h-BN),由于其独特的结构特征,使其具有优异的绝缘性能、导热性能、抗氧化性能等,成为导热绝缘聚合物基复合材料的理想填料。基于此,本论文提出了一系列复合材料的制备方法以得到高热导率的h-BN/聚合物复合材料,研究了h-BN/聚合物复合材料的结构与形貌、导热性能、力学性能等,并将这些材料进行热管理应用模拟。与此同时,使用分子动力学模拟探索有序排列h-BN/聚合物复合材料的导热机理。本论文主要研究内容包括:(1)使用溶液球磨法实现h-BN的一步剥离与修饰。具体方法是将h-BN加入多巴胺的Tris缓冲溶液中球磨,得到聚多巴胺(PDA)修饰剥离的h-BN(h-BN@PDA),剥离的h-BN的层数低于20层,PDA的包覆量约为3 wt%。将剥离的h-BN@PDA加入纤维素纳米晶(CNC)基体中,经过抽滤成膜获得h-BN呈现水平取向排列的剥离的h-BN@PDA/CNC复合材料。修饰的h-BN与CNC间由于氢键作用结合牢固,当h-BN的含量为86 wt%时,剥离的h-BN@PDA/CNC复合材料仍然可以弯曲。当h-BN的含量为94 wt%时,剥离的h-BN@PDA/CNC复合材料的热导率约为40 W/(m·K)。将剥离的h-BN@PDA/CNC复合材料模拟应用于LED灯的散热,随着h-BN含量的增加,剥离的h-BN@PDA/CNC复合材料表现出更加出色的散热性能。(2)联合球磨过程与热压处理制备h-BN/热塑性聚氨酯(TPU)复合膜。具体方法是将h-BN与TPU在N,N'-二甲基甲酰胺中溶液球磨,随后在乙醇中共沉淀得到h-BN/TPU絮凝固体,接着经过热压加工得到h-BN/TPU复合膜。h-BN在TPU复合膜中呈现水平取向排列且均匀分散。当h-BN的含量为80 wt%时,h-BN/TPU复合膜仍表现出优异的柔性。当h-BN的含量为95 wt%时,h-BN/TPU复合膜的面内热导率约为50.3 W/(m·K),比纯TPU膜的热导率增加了264倍,相应的垂直方向的热导率约为6.9 W/(m·K)。我们进一步将h-BN含量为95 wt%的TPU复合膜模拟应用于LED灯的散热,稳态温度相比于使用纯TPU膜降低了40℃。(3)联合球磨过程与热压处理制备有序排列h-BN/SEBS复合膜。h-BN的含量可以精确调控,且在SEBS基体中呈现水平取向排列。当h-BN的含量为95 wt%时,h-BN/SEBS复合膜的热导率为45 W/(m·K),相应的垂直方向的热导率为4.4 W/(m·K)。基于这种有序排列且可控的复合膜结构,我们使用分子动力学模拟探索有序排列h-BN/SEBS复合膜的导热机理,证实导热通路理论适用于有序排列h-BN/SEBS复合体系。并且,h-BN/SEBS复合膜在水平方向与垂直方向的渗流阈值分别为40 wt%和60 wt%。h-BN/SEBS复合膜的热膨胀系数(CTE)随着h-BN含量增加而降低,当h-BN含量为95 wt%时,h-BN/SEBS复合膜的CTE为16 ppm/K。此外,当h-BN含量增加时,h-BN/SEBS复合膜的杨氏模量增加、拉伸强度和断裂应变减小,当h-BN的含量为95 wt%时,h-BN/SEBS复合膜仍然具有一定的拉伸强度(2.6 MPa)。我们进一步将h-BN含量为95 wt%的h-BN/SEBS复合膜模拟应用于CPU散热,稳态温度相比于使用纯SEBS膜降低了约4℃。(4)通过抽滤-切片-浸泡法制备h-BN/环氧树脂(EP)复合材料。h-BN在EP基体中的垂直取向性良好。当h-BN的含量为44 vol%时,h-BN/EP复合材料在垂直方向的热导率达到9 W/(m·K),相比于使用普通搅拌共混制备的h-BN/EP复合材料的热导率(3.5W/(m·K))高出两倍以上。使用抽滤-切片-浸泡法制备的h-BN/EP复合材料的拉伸强度相比于普通搅拌共混制备的h-BN/EP复合材料没有明显减小。我们进一步将h-BN/EP复合材料模拟热管理应用,结果表明使用抽滤-切片-浸泡法制备的h-BN/EP复合材料的导热效果改善明显。