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《西北工业大学》 2007年
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高导热绝缘高分子复合材料研究

周文英  
【摘要】: 绝缘导热高分子材料对于高频微电子元器件散热,提高其精度、延长寿命具有愈来愈重要作用。本文以甲基乙烯基硅橡胶为基体,氧化铝和氮化铝无机粒子为主要导热填料制备出综合性能优良的导热弹性垫片。以三类聚乙烯(线性低密度聚乙烯、高度聚乙烯、超高分子量聚乙烯)为基体,氮化硼、氮化硅为主要填料,制备出高热导率电绝缘复合塑料。借助于自行研制出的高分子复合材料热导率及热阻测试仪器,以及示差扫描量热法、傅立叶红外光谱、热失重分析、扫描电镜等现代分析手段详细研究了填料种类、含量、粒径、制备工艺等因素对复合材料热导率、热阻、电绝缘性、介电、力学性能、结构及其它性能影响。实验研究发现: 1.绝缘导热硅橡胶研究 (1)硅橡胶热导率及热阻随氧化铝、氮化铝用量增加而分别升高和降低,填料用量达临界值后,热导率增加迅速。氮化铝加速了硅橡胶硫化,氧化铝对硫化影响不明显,两种填料均明显提高了硅橡胶热稳定性,降低了体系热膨胀系数。随填料用量增加,硅橡胶体积电阻率、表面电阻率、介电性能及介电强度性能均有所下降,但仍然保持良好的电学性能;力学性能随填料增加而下降。 (2)大粒子填料形成导热通路能力强于小粒子,形成更稳定导热通路;小粒子填料更有利于提高硅橡胶力学性能。不同粒径填料粒子按照适宜比例混合组成混杂填料,所得硅橡胶具有最高热导率。对于二元混杂粒径填料,小粒子体积用量占总用量的20~35%之间时体系的热导率、拉伸强度、介电常数、热膨胀系数均能达到最佳值。氧化镁晶须和导热粒子混杂填料填充硅橡胶热导率优于等量单一粒子填充效果,力学性能有改善。 (3)适宜成型压力和时间减少了材料内部空隙率,提高材料致密度,改善热导率和电学性能。偶联剂降低了材料界面处缺陷和孔洞,抑制了界面处声子散射现象,增大声子平均自由程,提高了热导率。然而,偶联剂过量降低体系热导率。偶联剂增强了两相界面粘接,提高了硅橡胶力学强度。 (4)以电子级玻璃布为增强体制备出具有高热导率、良好电绝缘性、形变性能及一定力学强度的弹性热界面材料,作为一类很重要的热界面材料,弹性热垫片对于低功率芯片散热具有重要作用。 (5)填充硅橡胶热导率范围介于Maxwell模型上、下限预测范围内;填料粒子形状参数愈大,体系热导率愈高;导热粒子与橡胶基体间的热阻大小决定着填料对体系热导率的影响。基于组合数学观点,推导出一新型热导率方程,经验证,该模型具有一定的适用性(k=k_1k_2/((1-C)k_1+Ck_2)=k_1k_2/((1-V_f~(1/3))k_1+V_f~(1/3)k_2)。 2.绝缘导热聚乙烯研究 (1)氮化物粒子和聚乙烯颗粒经粉末混合后,由于范德华力及静电作用力导热粒子在聚乙烯表面周围形成了包覆层;复合粒子热压成型后,在体系内部形成了以聚乙烯颗粒为中心的导热粒子环绕的“核-壳”结构的无规网状导热通路。和熔融共混相比,粉末法在较低填料含量下形成导热通路,热导率高。 (2) 30wt.%氮化硼和氮化硅填充时复合塑料热导率达1.68 W/(m·K)和1.52W/(m·K),具有高的电绝缘性及低介电常数和介电损耗,但力学性能下降。随填料粒径下降,复合塑料热导率升高;随聚乙烯粒径增加,热导率升高。在氮化物填料粒子中加入少量氧化镁晶须或氧化铝短纤维,热导率增加缓慢,而力学性能提高明显。 (3)适宜的成型压力和时间有助于提高热导率及电学性能。适量偶联剂提高了氮化物和聚乙烯颗粒间相容性,减少了体系内空隙,热导率升高,介电性能和力学强度和韧性得到改善。 (4)导热粒子增强UHMWPE具有高热导率、一定力学强度、卓越的电学性能及高冲击性能。和普通聚乙烯相比复合UHMWPE具有优异的导热能力,是低温场合理想的电子封装及基板材料。 (5)氮化物填料对聚乙烯熔融温度基本没有明显影响,但对其结晶度有影响。常规热导率模型低估粉末法制备的复合塑料热导率,以下两个方程适宜描述该类复合塑料热导率:logk=logk_p+(logk_(V_m)-logk_p)·(V_f/V_m)~N及k_c~a=(1-V_f)k_m~a+V_f·k_f~a。
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