纳米氮化硼/聚合物复合材料的制备及其导热性能研究

电子产品的功能化、小型化、集成化,使电子产品的散热功能成为行业挑战。研发制备具有高导热性能电子封装材料是目前解决这一问题的重要手段。聚合物材料由于其低廉的成本、简易的加工工艺、优良的机械性能,是传统热界面材料的首选。虽然纯的聚合物导热系数较低,但是研究者们发现通过添加高导热填料,可以有效地提高聚合物的导热性能。虽然目前高导热聚合物复合材料的研究有一定的进展,但依然无法满足电子产品散热需求。本论文以纳米氮化硼作为填料,纤维素(CNF)及环氧树脂(EP)作为聚合物基体,制备了新型聚合物复合材料,具体研究内容如下:(1)采用液相沉积的方法在氮化硼纳米管(BNNT)表面负载金属Ag颗粒,然后将制备好的Ag-BNNT杂化粒子作为填料,与CNF混合后,通过过滤得到Ag-BNNT/CNF复合材料。研究结果表明:当填料Ag-BNNT的掺入量为25 wt%时,Ag-BNNT/CNF复合材料的导热性能最高达到20.9 Wm~(-1)K~(-1),其值是BNNT/CNF复合材料导热系数的2倍。有效介质理论模型及Foygel模型的理论计算表明:Ag-BNNT/CNF复合材料高的导热系数主要归因于BNNT表面负载金属Ag颗粒可以有效降低BNNT与BNNT之间的界面热阻。(2)采用冰模板法制备氮化硼纳米片(BNNS)及银纳米线(AgNW)混合填料的气凝胶,利用低温烧结技术烧结AgNW,最后通过真空灌脂技术制备了3D BNNS-AgNW/EP复合材料。由此制备得到的复合材料面外导热系数为1.01Wm~(-1)K~(-1),其值为由未烧结气凝胶制备得到复合材料的1.5倍,是由不含AgNW气凝胶制备得到复合材料的2倍。导热系数的提高归因于通过引入AgNW以及AgNW的低温烧结技术可以提高填料单位接触面积。(3)采用液相沉积的方法在氮化硼纳米片(BNNS)表面负载金属Ag颗粒,采用冰模板法制备Ag-BNNS杂化粒子及银纳米线(AgNW)混合填料的气凝胶,接着利用低温烧结技术焊接金属Ag颗粒与AgNW,通过真空灌脂技术成功制备了3D Ag-BNNS/AgNW/EP复合材料。所制备得到的复合材料面外导热系数为0.8 Wm~(-1)K~(-1),其值是由未烧结气凝胶制备得到复合材料的1.5倍,是由不含AgNW气凝胶制备得到复合材料的2倍。Foygel模型的理论计算表明:3D Ag-BNNS/AgNW/EP导热系数的提高归因于在填料表面负载金属Ag纳米颗粒以及金属Ag颗粒的低温烧结可降低BNNS与AgNW之间的界面热阻,从而提高复合材料的导热系数。综上所述,我们提出1)金属Ag纳米颗粒的“桥接”作用可有效降低填料间的界面热阻,从而提高复合材料的导热性能;2)混合填料的协同效应,纳米银的低熔效应,及冰模板法解决取向问等方式可提高复合材料的导热系数。这些方法可对未来制备高导热聚合物复合材料提供重要借鉴意义。