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1、对高导热聚合物基复合材料的制备与性能的分析 张树华 武汉纺织大学材料科学与工程学院 摘 要： 电子封装与大功率电子设备等领域对高导热聚合物基复合材料有着较大的市场需求。通常来说, 高导热聚合物通过在分子基体中均匀分散高含量的导热填料而实现导热的目的, 而高填料含量将极大影响复合材料的性能并提高其成本, 较难满足工业需求。因此, 本文对高导热聚合物基复合材料的制备与性能加以分析, 摸索出低填量的复合材料, 以供借鉴。关键词： 高导热; 聚合物基复合材料; 制备方法; 性能影响; 作者简介：张树华 (1997-) , 男, 汉, 湖北省武汉市人, 学生, 在读本科。研究方向:复合材料专业的研究性学
2、术论文。1 引言随着我国经济的不断发展, 当前我国电子设备逐渐朝着集成化与微型化的方向发展, 人民对电子设备的需求日益提高, 解决大功率的集成电路的散热问题逐渐成为电子设备技术开发人员所面临的又一重要挑战。基于此, 电子设备领域应设法提高不同类型高导热复合材料的导热性能。2 不同类型的高导热复合材料的制备2.1 石墨烯石墨烯具有极强的导热性 (5000W/ (mK) ) 与机械强度, 其共轭分子面结构可为声子传导提供理想的二维通道。微米级石墨烯因其具有较大的表面积, 增加了与聚合物基体的接触。基于此, 人们将石墨烯视为实现高导热的极佳填料, 因此受到研究人员的广泛关注。因石墨烯片网络结构是一种
3、可在低填量的条件下, 明显提高基体导热的材料, 因此通过构造氧化铈石墨液晶, 经过定向冷冻与高温退火等方法制备出垂直对齐、相互联通的石墨烯片网络结构, 令该种材料作为环氧树脂基体的填料。在石墨烯含量大约为 1vol%时, 复合材料的导热性大约达到了 2W/ (mK) , 较纯环氧树脂提高了 10 倍以上。2.2 氮化硼氮化硼的导热性能在常温下可达 400W/ (mK) , 与铜、银的导热性相近, 另外, 氮化硼具有较佳的绝缘性能, 在导热材料中具有较大的发展前景。例如, 利用可控极性冷冻氮化硼纳米片的悬浮液, 先制备出 3D-BNNS 凝胶, 而后用火烧结凝胶。最后在三维骨架中倒入环氧树脂,
4、并将制备出的材料加以凝固, 最终制备出的 3D-BNNS 复合材料具有了极大的导热效果, 并在其体积分数到达 10%时,平行与垂直于结冰方向的导热率分别达到 2.8W/ (mK) 与 2.4W/ (mK) , 同时填料的含量相同的情况下, 导热性能大大领先于无规则分散的 3D-BNNS 复合材料。2.3 碳纳米管SWCNTs (单壁碳纳米管) 具有超强的导热性能, MWCNTs (多壁碳纳米管) 在外壁损坏的情况下并不会对内壁的导热性造成影响, 因此, 纳米管作为高导热聚合物基复合材料具有较大的发展潜力。例如, 运用乳胶技术将多壁碳纳米管吸附在微米聚合物的颗粒上, 而后在热压条件下制作出含多壁
5、碳纳米管的网状结构的复合材料。结果经热压制成的复合材料的导热性能高达 17W/ (mK) 。2.4 金属填料金属粒子填充物既可以有效提升基体的导热能力, 也可以有效提高基体的发电能力。目前的金属填料主要选取金属纳米线, 纳米线以其具有较高的纵横比与结合性能的特性, 成为获取三维导热网络的必要所在。通过某种表面修饰的方法可制备出分散性能较强的单晶铜纳米管, 其平均直径约 80 纳米, 长度在几十至几百微米之间。将上文的纳米线应用于基体填料, 铜纳米线含量约为 1vol%时, 铜纳米线的热导性能达到约 2.5W/ (mK) , 与基体相比, 其热导性能提高了 10 倍以上1。3 高导热复合材料导热
6、性能影响因素3.1 填料种类填料的种类不同, 其导热性能也有所不同, 聚合物的常用填料主要有无机导热填料、炭基材料填料、金属粒子填料。其中无机导热填料主要包括 Al N、Al 2O3与 Si3N4, 炭基材料填料主要包括碳纳米管、炭纤维与石墨烯, 金属粒子填料主要包括 Ag、Cu 与 Al。填料被应用的侧重点也有所不同, 其中, 无机导热填料以用于制备绝缘导热聚合材料为主, 而金属粒子、炭基材料以用于对绝缘性并无要求的聚合材料领域。而目前阶段, 我国用于低填充高导热聚合材料的填料以炭基材料填料与金属粒子填料为主。3.2 填料形貌填料的形貌影响着基体导热性能的提升, 其影响也被电子集成设备领域的
7、技术开发人员所广泛研究, 尤其是对填料的不规则分布情况的研究尤为突出。填料的形貌根据其自身性质划分, 可分为零维、一维、二维、三维等不同类型。同时, 填料的形貌根据不同的加工工艺又可分为自带气象的一维结构、二维结构、三维连续网状结构及无规则分布的结构。而在当前的研究中, 则以三维连续网状结构为主。3.3 填料取向不同导热填料自身带有各异的导热能力。该类填料一般为非球形的填料, 如:石墨烯、碳纳米管等, 该类型填料可通过高分子基体令其保持一定的取向, 从而获得极高的导热能力, 但其垂直方向的导热性能较低, 尤其是在填充量较低的情况下建立的网状结构中不同取向的导热能力具有较为明显的差异。例如, 通
8、过将单向冰冻下的自组装冰模板方法与环氧是指渗入法相结合, 制备出三维网状结构氮化硼/环氧树脂复合材料。该方法制备出的材料较直接放入冰箱中冰冻得来的无规则分布的复合材料在取向在平行方向上的导热上的差距十分明显, 是后者的 2.5 倍。3.4 填料表面处理为减小材料表面的热阻碍并提高材料的导热性能, 需要技术人员对填料的表面进行细致的处理。填料的表面改性有两种方法, 分别为共价键连接与非共价键连接。在目前阶段的研究中所遇到的重要问题是填料与分子基体间的热阻较高。为减小热阻, 技术人员将问题解决的重点放在填料的表面改性上, 通过填料改性, 加强填料与聚合物的互容。但实际操作中, 由于改性不全面或填料经改性导热能力下降, 使得基体材料的导热未能达到理想效果2。4 结论总之, 对高导热材料的研究是我国电子集成设备领域的一项重要内容, 但就目前来开, 主要应该加强对低造价、高导热性的填料的开发与利用, 不断减少限制因素的影响并摸索制备的创新方法, 促进高导热材料的发展。参考文献1吴宇明, 虞锦洪, 曹勇.高导热低填量聚合物基复合材料研究进展J.复合材料学报, 2017, 23:1-9. 2赵维维, 傅仁利, 顾席光.聚合物基复合材料的界面结构与导热性能J.材料导报, 2013, 2705:76-79+86.
