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基于导通网络结构制备高性能导热与吸波高分子复合材料

江悦  
【摘要】:高分子复合材料由于其具有高性能,耐腐蚀,轻质,生产成本低廉等特性被广泛地应用在电子封装领域。随着电子技术的发展,新一代的电子元器件具有了更高的功率密度,使得电子设备在工作时会产生大量的余热。过多的余热会对整个系统造成严重的损害,引起火灾等事故发生。使用高导热性能的材料能够有效的耗散多余热量,满足设备对热管理的需求,这对于高功耗系统是非常有必要的。同时随着电子元件功率密度的提高,所引起的电磁波辐射干扰也日益受到关注。为了提高设备的抗电磁干扰能力,电子封装材料也需要具有一定的电磁波吸收性能来保护电子元件的正常工作。一般来说,高分子聚合物的热导率、电导率及吸波性能普遍较低,限制了其在高性能电子系统中的进一步应用。在目前的工业生产实际中,为了解决这些问题,将高性能的填料诸如石墨烯,氮化硼,MXene等加入聚合物基体中制备复合材料是一种简单直接的方案。这种加工方式通常要求较高的填料填充含量,才能够提高材料的功能性。然而过高的填料含量会使所制备的复合材料的机械性能显著下降,影响了材料的实际应用。本论文旨在构建具有导通网络结构的多元化的复合材料体系,以实现复合材料的导热和吸波性能的有效提升,并维持一定的机械强度,使其满足不同的应用需求。利用材料自身的特点,借助不同的制备手段,将填料在聚合物基体内部进行有序排列构建三维网络,进一步研究填料的几何形貌,分布与导通网络之间的联系。此外,详细研究了复合材料导热性能和吸波性能与导通网络结构之间的联系。具体工作如下:1.六方氮化硼具有优异的导热性能和绝缘性能被认为是一种理想的电子封装材料。然而,通过共混挤出工艺制备的氮化硼复合材料只具备有限的热导率。在这里,我们首先制备了氮化硼/聚苯硫醚核壳结构复合颗粒,再通过简单的热压工艺制备了具有三维相分离结构的导热复合材料。研究发现在含有40 vol%氮化硼的情况下,该复合材料的典型热导率可以达到4.15 W/(mK),是纯聚苯硫醚树脂(0.25 W/(mK))热导率的16倍,比相同的填料含量的共混方法制备的氮化硼/聚苯硫醚(2.45 W/(mK))的热导率高1.69倍。相分离结构的氮化硼/聚苯硫醚复合材料具有优异的导热性能是由于二维的氮化硼微片在聚苯硫醚基体中形成有效的三维导通网络结构,热流能够沿着该通道顺利传输,增强了导热能力。这种具有隔离结构的相分离复合材料是一种理想的绝缘导热电子封装材料。2.传统的共混挤出方式制备的氮化硼复合材料的导热性能难以满足目前电子系统的散热需求,并且由于填料的高填充含量使得力学性能下降,应用受到限制。在此,我们报告了一种简便的方法,通过卷制工艺和热压成型的方法以制备仿年轮状结构的氮化硼/聚醚醚酮复合材料。该复合材料在40 vol%的氮化硼填充量下展现出了一个很高的热导率15.53 W/(mK),这是同含量下共混方式制备的复合材料导热性能的~5.1倍。这种优异的导热性能归因于材料内部富氮化硼相的层状导热通道。此外,这种独特的结构保持了材料具有较高的机械性能。与共混挤出的试样相比,该复合材料的抗压强度和抗弯强度分别提高了135%和134%。因此,该仿年轮状结构氮化硼复合材料是绝缘电子封装材料的理想选择。3.三维导通结构可以有效地提高复合材料的导电性能,并增强介电复合材料的导电损耗以及吸波性能。石墨烯作为一种高本征电导率的二维材料适合构建这样的导通结构。因此,我们将石墨烯氧化物和碳化硅晶须通过定向凝固技术及冷冻干燥技术制备成氧化石墨烯/碳化硅复合气凝胶,最后通过热还原的方法制备了具有轻质类海绵骨状结构的石墨烯/碳化硅复合气凝胶及其环氧树脂复合材料。由石墨烯包裹碳化硅晶须而形成的石墨烯/碳化硅气凝胶具有独特的分层有序结构。该结构具有密度低(72 mg/cm3)、良好的导电性能及优异的电磁波吸收性能等优点。对于吸波性能来说,该复合材料的最小反射损耗达到-47.3 dB在10.52 GHz频段下(3毫米的材料厚度)和4.7 GHz的有效吸收带宽。这些结果表明,新型石墨烯/碳化硅气凝胶复合材料是一种理想的兼具导电和吸波性能的高性能材料,适合应用于航空航天领域及诸如5G通讯领域。4.MXene(Ti3C2Tx)作为一种新型二维陶瓷材料,拥有优异的导电性能及吸波潜力。类似于石墨烯三维导通结构,将MXene构建成网络结构可以有效的提高介电复合材料的导电性能和导电损耗。因而在本次工作中我们通过定向凝固技术和化学交联的策略制备了具有交联网络结构的MXene/cellulose复合气凝胶。单独的MXene纳米薄片通过共价交联和氢键的形式与纤维素有效的结构形成导电网络。研究发现这种独特结构的气凝胶复合材料呈现出低密度(0.3 1 g/cm3)和优异的电磁波吸收性能。归因于多重反射效应、导电损耗和极化弛豫三方面的作用,该气凝胶复合材料的最小反射损耗在11.2 GHz下为-43.4 dB(厚度为2 mm),有效吸收带宽为4.5 GHz。这类轻质的Ti3C2Tx MXene/cellulose气凝胶复合材料可以作为潜在的高性能吸波材料应用于航空航天领域。


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