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《华南理工大学》 2013年
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导热环氧树脂复合材料的制备

郭茹  
【摘要】:高导热聚合物基复合材料因其良好的导热和电绝缘性能已在电器封装、航空航天等领域发挥出巨大的作用,具有广泛的发展前景。特别是在当代环境保护和可持续发展的要求下,塑料取代传统铝材用作发光二极管(LED)照明散热器外壳已成为必然发展趋势。但高分子材料一般导热性较差,其导热系数在25℃时均低于0.5W/(m·K),如环氧树脂只有0.20W/(m·K)。为满足LED等行业的发展需求,制备高效导热且综合性能优异的聚合物基复合材料已成为电子封装领域研究的热点问题。目前国内对导热聚合物材料的研究刚刚起步,生产技术水平较低、生产成本高,这些因素阻碍了导热材料在LED照明散热器上的普遍应用。为尽快开发高效、低成本导热复合材料,满足LED照明发展需要的大趋势,本论文以环氧树脂(EP)为基体,以氧化镁(MgO)作为主要导热填料,结合纤维增强,制备了综合性能较为优异的高导热环氧复合材料。 首先选用了四乙烯五胺为固化剂,采用差式扫描量热(DSC)非等温法系统研究了MgO用量对EP/MgO复合材料的固化动力学(包括固化温度、反应活化能和反应级数)的影响,并讨论了EP/MgO复合材料的固化工艺。结果表明随着MgO用量的增加,活化能提高,EP/MgO复合材料的固化反应级数基本没变。树脂体系的固化温度峰值稍有提高,但相差在2℃范围内。通过理论推导,结合实验验证,确定最佳固化工艺为35℃固化24h,70℃后固化2h。 其次采用三种偶联剂KH-560、KH-550和钛酸丁酯分别对MgO填料表面进行处理,比较后发现,MgO用量的5.0wt%的KH-560对MgO粒子进行表面处理能够获得较佳导热效果。比较粒径10μm和50μm的MgO导热填料,粒径较小的MgO,其比表面积较大,有利于改善复合材料的导热性能。实验发现EP/MgO复合材料的导热率随MgO用量的增加而升高,当其用量为50vol%时,复合材料的导热率可达到2.26W/(m·K),是纯环氧树脂的11.30倍。MgO填料的加入提高了EP/MgO复合材料的热稳定性和阻燃性,但却使复合材料的电绝缘性和力学性能有所下降。以MgO添加量为40vol%为例,体积电阻率为1.20×1015·cm,相对于纯环氧树脂降低了不到一个数量级,但依然可以达到电绝缘要求。氧指数达到36.0%-36.5%,可以通过UL94V-0阻燃级别。冲击、弯曲和拉伸强度仅为纯环氧树脂的46.5%、63.5%和49.6%。 为此,采用纤维增强来弥补复合材料在力学性能方面的损失,分别以碳纤维和玻璃纤维部分代替MgO,组成5vol%纤维/35vol%MgO填料复配体系。与同等填料添加量的MgO体系相比,碳纤维比玻璃纤维表现出更好的增强效果。5vol%碳纤维/35vol%MgO/EP复合材料冲击、弯曲和拉伸强度相对于40vol%MgO/EP分别提高了164.9%、113.5%和92.6%,冲击、弯曲比纯EP分别提高了23.3%和35.5%,且复合材料的阻燃性能优异、绝缘性能符合要求。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TB332

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