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《中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)》 2018年
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基于微/纳米结构单元的有序组装制备高导热复合材料

么依民  
【摘要】:器件的微型化和高集成度在赋予电子产品更多功能、更高效率的同时,也使得电子产品中单位体积的工作功率大幅度提升,由此带来了严重的散热问题。电子元器件的耗散生热会直接导致电子设备温度的升高和热应力的增加,对微电子设备的工作可靠性造成严重威胁。工业界普遍认为未来电子产品发展的瓶颈不是硬件本身和散热设计,而是是否能制备有效的散热材料。现有的导热复合材料的导热性能难以满足电子工业发展的需求。因此,为了解决电气电子设备的结构散热问题,开发研制新型、具有优良综合性能的高导热复合材料正成为国际电气电子绝缘领域的研究热点。本论文在对国内外导热复合绝缘材料研究现状的分析与未来导热复合材料的发展趋势归纳上,以制备高性能导热复合材料为目标,基于微/纳米结构单元的有序组装制备了几款新型导热复合材料。研究了复合材料的导热性能、力学强度和电绝缘性能与材料的微观结构及其界面传热性质的关系,取得的主要研究成果总结如下:1.针对目前包含高含量填料的复合材料机械性能较差的问题,我们受到天然贝壳层状结构的启发,制备了具有仿贝壳结构的高导热氮化硼纳米片(BNNS)-氧化石墨烯(GO)复合纸。BNNS和GO之间的声子谱匹配以及复合材料内部BNNS良好的取向使得复合材料具有很高的导热系数和良好的机械性能。在BNNS质量分数为95 wt%时,该款复合材料的平面导热系数达到了29.8 Wm~(-1)K~(-1),远远高于早前报道的BN基复合材料。研究发现,BNNS-GO复合纸的高导热系数主要来源于三个方面:(1)规整取向的层状结构提供了高效率的导热网络;(2)声子谱匹配的BNNS-GO网络为声子的运输提供了高速通道,减少了声子的散射;(3)BNNS与GO较强的作用力可以进一步降低界面热阻。此外,BNNS-GO是电绝缘体,体积电阻率远高于10~(13)Ω?cm,满足电子封装领域对于导热复合材料导热性能和绝缘性能的要求。2.针对热管理的传统聚合物基复合材料导热系数较低(10 Wm~(-1)K~(-1))的问题,我们用二维的BNNS、一维的碳化硅纳米线(SiCNW)、零维纳米银颗粒(AgNP)和聚乙烯醇(PVA)分别模仿天然多相贝壳中的碳酸钙片、甲壳素纳米纤维、碳酸钙片上的凸起和胶状蛋白质,基于仿生工程制备了一种新型的仿生导热复合纸。相比于传统的导热复合材料,这种导热复合纸具有很高的面内导热系数(21.7Wm~(-1)K~(-1))。我们将材料的高导热系数主要归因于组分之间由于银颗粒的引入而提高的界面作用力,以及氮化硼纳米片(BNNS)和碳化硅纳米线(SiCNW)形成的宏观取向的导热网络。复合材料具有良好的机械性能,其拉伸强度、杨氏模量和韧性分别达到了29.9±1.9 MPa、7.6±0.05 GPa和0.13±0.01 MJ m~(-3)。此外,复合材料的体积电阻率为8.29×10~(13)Ω·cm,表现出良好的电绝缘性能。3.具有高导热系数的聚合物复合材料吸引了很多的关注,然而填料与基体以及填料与填料之间较大的界面热阻成为了聚合物基导热复合材料进一步发展的瓶颈。我们报道了一种基于AgNP的界面工程用来改善SiCNW/微晶纤维素(cellulose microcrystal,CMC)复合材料的导热系数。实验数据显示,负载AgNP的SiCNW-AgNP杂化材料可以作为一种有效的导热填料提高CMC基体的导热系数。SiCNW/CMC复合膜的面内导热系数最高达到了34.0 Wm~(-1)K~(-1),比传统的聚合物基复合材料的数值高了一个数量级。与理论模型的数据拟合进一步显示,AgNP的添加使SiCNW/CMC界面处的热阻从(7-8)×10~(-5) m~2 KW~(-1)下降到(5-6)×10~(-5) m~2 KW~(-1)、使SiCNW/SiCNW界面处的热阻从2.9×10~(-8) m~2 KW~(-1)下降到1.6×10~(-8) m~2 KW~(-1)。这些结果说明界面工程可以成为制备高性能导热复合材料的有效工具。4.聚合物基复合材料的面外导热系数一直被限制在很低的水平(3Wm~(-1)K~(-1)),这主要是因为目前缺乏有效的面外方向上的填料组装技术,导致传统聚合物基热界面材料的面外导热增益不理想。针对此问题,我们基于冰模板法制备了一种三维面外取向的氮化硼(BN)-还原氧化石墨烯(rGO)导热骨架,并以此骨架为填料加入到环氧树脂(Epoxy resin)中制备了高导热复合材料。当三维BN-rGO骨架的含量为13.16 vol%时,三维BN-rGO/Epoxy复合材料具有超高的面外导热系数(5.05 Wm~(-1)K~(-1)),该数值是目前报道的氮化硼基复合材料导热系数的最高值。实验数据与理论模型的模拟说明:使用与BN声子传输性质相近的rGO作为胶黏剂,可以最大程度上保证三维网络本身的导热性能,BN-rGO网络为声子的运输提供了高速通道。BN-rGO填料网络的导热系数为105~115 Wm~(-1)K~(-1),作为对比,BN-CMC填料网络的导热系数仅为75~80 Wm~(-1)K~(-1),比BN-rGO网络的数值降低了29.5%。BN-rGO骨架的加入也明显地增加了复合材料的储能模量,纯环氧树脂的模量为2230 MPa,添加13.16 vol%BN-rGO后储能模量增加至4690MPa。此外,三维BN-rGO/epoxy复合材料的体积电阻率都高于2.9×10~(12)Ω?cm,表现出良好的电绝缘性质。5.由于内部缺乏有效的导热网络,先前报道的聚合物基复合材料即使在高填料含量下仍然受限于低的导热系数或导热提高效率。我们报道了一种含有垂直取向SiCNW网络的环氧树脂复合材料,该材料表现出超高的导热提高效率。对SiCNW的水系分散液直接进行冰模板法冷冻取向,冷冻干燥除冰后进行热处理来加强SiCNW之间的相互作用,最终得到具有多级结构、取向的三维SiCNW网络。在SiCNW网络的含量为2.17 vol%时,SiCNW/epoxy复合材料的面外导热系数达到1.67 Wm~(-1)K~(-1),相比于纯环氧树脂,导热系数单位体积提高率高达406.6%。有序取向的SiCNW网络为声子的传输提供了高速通道,这是复合材料具有高导热系数的主要原因。本工作为高性能热管理材料的设计和制备提供了新的思路。6.我们在前面几个工作中分别基于真空辅助抽滤技术和冰模板法自组装技术制备了高性能导热复合材料,受限于成本与生产设备等因素,上述两种技术难以实现产业化,无法为我国电子材料产业做出贡献。因此,在本章工作中,我们探索并发明了一种简易、快速以及宏量制备导热填料的方法。通过将含有填料的水系分散液直接滴入液氮、结合冷冻干燥以及简易的自动推进装置,我们成功构筑了三维的气凝胶球状填料。这种球状填料具有大的孔隙率和比表面积,可以直接参与到导热网络的构建当中,有效地提高复合材料的导热性能。以SiCNW气凝胶微球为例,当填料含量为4.6 vol%时,SiCNW球/Epoxy复合材料表现出较高的导热系数(0.91 Wm~(-1)K~(-1)),远高于同样填料含量下添加其他商用导热颗粒的复合材料。在自动推进装置的辅助下可以实现实验室规模的小批量生产。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TB33

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 刘运春;殷陶;陈元武;刘述梅;赵建青;傅轶;;PPS/Al_2O_3导热复合材料的性能及其应用[J];工程塑料应用;2009年02期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 虞锦洪;高导热聚合物基复合材料的制备与性能研究[D];上海交通大学;2012年
2 周文英;高导热绝缘高分子复合材料研究[D];西北工业大学;2007年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 杨海民;张翼翔;郑润金;;导热塑料研究进展[J];合成材料老化与应用;2015年06期
2 徐俊怡;刘钊;洪瑞;王孝军;龙盛如;张刚;杨杰;;聚苯硫醚的产业发展概况与复合改性进展[J];中国材料进展;2015年12期
3 江玲玲;冯艳;陈诚;周正发;徐卫兵;;高导热绝缘Al_2O_3/POM复合材料的制备与性能[J];塑料工业;2015年12期
4 张臻;龙春光;尹妍;郭芳宇;粟洋;曹太山;;聚甲醛/泡沫铝合金互穿复合材料导热性能的研究[J];功能材料;2014年23期
5 石路晶;贾长明;;导热高分子材料在电子封装领域应用研究[J];包装工程;2014年17期
6 金翔;付武昌;刘汉;吴宏武;;剑麻/膨胀石墨/PP纤维吸附型导热复合材料的性能[J];塑料;2013年06期
7 麦伟宗;王飞;黄李胜;李景;许灯波;;导热PA6复合材料导热性能的研究[J];合成材料老化与应用;2013年05期
8 胡祥;李瑞海;;高导热系数聚丙烯复合材料的制备及研究[J];塑料科技;2012年12期
9 徐睿杰;雷彩红;杨志广;廖敦锃;刘舜莉;;聚丙烯/膨胀石墨/碳纤维导热复合材料[J];塑料;2012年01期
10 麦杰鸿;易庆锋;蒋智强;姜苏俊;;聚对苯二甲酰癸二胺导热复合材料性能的研究[J];塑料工业;2011年12期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 么依民;基于微/纳米结构单元的有序组装制备高导热复合材料[D];中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院);2018年
2 张江云;18650型动力电芯热—电特性及模组热管理技术研究[D];广东工业大学;2018年
3 王池嘉;防腐涂层填料的功能化改性及性能研究[D];东北石油大学;2018年
4 王猛;液晶弹性体材料的各向异性导热性能及刺激响应运动模式调控方法研究[D];东南大学;2017年
5 李儒光;NaNO_3-KNO_3基复合储热材料制备、结构及性能研究[D];武汉理工大学;2017年
6 王晓东;环氧树脂基轻质隔热复合材料制备及隔热机理研究[D];哈尔滨工程大学;2017年
7 曾小亮;功能化有机基板材料的制备、结构表征及其性能研究[D];中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院);2017年
8 谢璠;功能型聚对二甲苯和碳纳米复合材料的研究[D];西北工业大学;2016年
9 周聪;高导热、低膨胀石墨—铝复合材料的设计、制备与性能研究[D];上海交通大学;2015年
10 潘科学;有机硅粘接促进剂的合成及其增粘无卤阻燃导热加成型有机硅灌封胶的研究[D];华南理工大学;2014年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前3条
1 李丽;王成国;;导热塑料的研究与应用[J];高分子通报;2007年07期
2 林晓丹;曾幸荣;张金柱;张贞祥;徐迎宾;;PPS导热绝缘塑料的制备及性能研究[J];塑料工业;2006年03期
3 唐明明,容敏智,马传国,章明秋,叶建荣;Al_2O_3的表面处理及粒子尺寸对SBR导热橡胶性能的影响[J];合成橡胶工业;2003年02期
中国博士学位论文全文数据库 前5条
1 王建宇;两亲性共聚物的分子设计、合成及其共混改性疏水聚合物多孔膜的研究[D];浙江大学;2008年
2 杨大鹏;立方氮化硼、六方硼碳氮化合物的高压合成及应用研究[D];吉林大学;2008年
3 周文英;高导热绝缘高分子复合材料研究[D];西北工业大学;2007年
4 姜海辉;氮化硼和氮化碳纳米材料的合成与表征[D];山东大学;2007年
5 王家俊;聚酰亚胺/氮化铝复合材料的制备与性能研究[D];浙江大学;2001年
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