PVDF/BN导热绝缘复合材料制备与性能研究

面对微电子、5G通讯、半导体等产业日新月异的发展,在持续高功率工作环境下不可避免产生大量热量,为此急需开发新型高效的热管理材料,保证电子设备的正常稳定运行。本文将经过多巴胺化学改性的氮化硼(BN)和聚偏氟乙烯(PVDF)—步热压制成复合材料和使用溶剂热法一步合成氮化硼@银纳米线(BN@AgNWs)杂化填料后加入PVDF基体中制成复合材料。为了改善BN和PVDF之间的界面相容性,本文通过多巴胺化学一次性将两者进行非共价改性,后一步热压制备具有面内取向的PVDF复合材料,不仅改善声子在界面传递的散射还简化加工工艺,符合绿色化学理念。TEM、XRD和XPS表征说明对BN和PVDF表面成功修饰。调控多巴胺聚合时间,发现聚合4h最有利复合材料导热率的提高。对复合材料非等温结晶分析,在较低的BN含量时(17 wt%以内),BN在基体内相当于异相成核剂可以促进结晶度提高,而在高含量时,密集的定向分布BN阻碍PVDF链段向晶体移动不利于结晶度提高。另外,对XRD和SEM断面结果分析可以看出BN在基体中沿面内定向分布,随着BN含量增加复合材料导热率也不断增加,在BN含量为50 wt%时导热率达到1.466 W/mK,是PVDF@PDA的2.3倍。利用热成像仪分析其散热性能,可知(PVDF+BN)@PDA散热性能良好。同时对其介电性能分析,发现加入适量修饰的BN可以明显改善复合材料的介电性能,拓展其在电子器件中的应用范围。为了构筑有效填料网络,本文使用溶剂热法一步合成氮化硼@银纳米线(BN@AgNWs)杂化填料,对其进行SEM、TEM、XPS和XRD表征可知成功合成BN@AgNWs杂化填料。分析发现不同AgN03和BN比例合成的杂化填料由于具有不同的协同效应,在AgN03:BN=1:1时复合材料导热率最大。对复合材料分析其非等温结晶、流变、力学、介电和导热性能分别深入探究。随着杂化填料含量的增大,复合材料的结晶度和结晶速率都先增大后减小,这归因于杂化填料异相成核作用,但是在较高的填料含量时也会限制晶体的生长。分析复合材料的动态流变行为,在20 wt%含量时复合材料内部填料网络逐步因而开始在低频区出现平台,Han曲线也同样证明了填料网络的形成。分析复合材料的力学性能可知,在随着AgN03:BN 比例增大,所制备复合材料的力学强度也基本增大。与对照样比较可知,加入BN@AgNWs杂化填料在基体中可以形成更致密的填料网络使复合材料杨氏模量增大,力学性能总体变化不大。随着BN@AgNWs杂化填料增加,在30 wt%含量时PVDF复合材料导热率达到1.19 W/mK 比纯PVDF基体提高236%,同等BN含量的复合材料导热率也仅仅为1.06 W/mK,热成像表征也同样证明了PVDF/BN@AgNWs复合材料具有较好的散热性能。另外添加BN@AgNWs杂化填料的复合材料与对比样相比具有良好的介电性能可以扩大其使用范围,而且在频率为100 Hz时,添加杂化填料的复合材料导电率最高才2.91x10-11S/m,说明AgNWs对导电率影响很小,复合材料仍然处于绝缘范畴。