氮化硼修饰、导热复合材料和碳纤维氮化硼涂层的制备及性能研究

摘要

随着现代社会科学技术的快速发展，先进电子设备为追求小尺寸的设计而将电路尺寸大幅度地减少，然而这样的设计使得设备出现高度集成，进一步促使大量的热积累在设备附件中，导致设备寿命相对较短。聚合物包装材料具有低导热系数，散热效率被降低。因此导热聚合物基复合材料具有非常重要的意义和良好的应用前景。氮化硼具有很多良好的性质，吸引了国内外众多研究学者的注意，例如优异的抗氧化性、良好的导热性、出色的耐热性、优异的抗腐蚀性和化学稳定性、电学性能以及良好的润滑性。氮化硼作为无机导热填料，与聚合物基复合材料之间的相容性较差，容易在聚合物基体中发生团聚，影响了导热性能的发挥。因此提高氮化硼与聚合物基体的相容性和分散性对提高聚合物基复合材料的导热性能非常重要。氮化硼由于其优异的抗氧化性能被广泛用在抗氧化领域，可以作为碳纤维表面的抗氧化涂层材料，但是传统溶液浸渍法存在两个缺陷，一是氮化硼前驱体的析出是一个随机过程，不能均匀分布在纤维表面。二是重力和毛细管作用力的存在极大地削弱了热处理中间过程的液态产物均匀覆盖纤维的能力。解决纤维氮化硼涂层存在的两个缺陷问题对于提高抗氧化涂层质量的意义重大。
　　本文采用单宁酸作为非共价键改性剂，对六方氮化硼进行表面修饰。探究了改性体系中单宁酸的含量和改性时间对六方氮化硼的影响，发现当单宁酸含量为0.6g，1.2g，1.6g，改性时间为3h，6h，12h时，单宁酸的含量和改性时间并不会对六方氮化硼产生明显影响，并且单宁酸在六方氮化硼表面的附着量几乎相同。探究了单宁酸对六方氮化硼形貌的影响，发现单宁酸在其表面随机附着。研究了单宁酸修饰剂对六方氮化硼结构的影响，发现单宁酸不会对氮化硼的晶体结构产生影响。通过对修饰前后的氮化硼进行热稳定性分析发现，修饰六方氮化硼在低于250℃的时候表现出较好的稳定性。探究了修饰六方氮化硼在水、乙醇、丙酮、四氢呋喃、二甲亚砜这几种溶剂中的分散性，发现修饰六方氮化硼在这几种溶剂中的分散性较好，能够为扩大六方氮化硼的应用领域提供条件。
　　制备了聚乙烯醇/六方氮化硼复合材料。研究了单宁酸对六方氮化硼在聚乙烯醇基体中分散性的影响，探究了导热填料含量和改性前后的导热填料对复合材料导热性能的影响，并对复合材料进行性能表征，对导热模型进行了拟合分析。结果表明单宁酸修饰六方氮化硼相比未经修饰的来说，能够在聚乙烯醇基体内均匀分散，有效提高复合材料的导热性能。这为生产质量轻、高导热的聚乙烯醇/六方氮化硼复合材料提供了新的思路，并且这种方法安全，环保无污染，操作简单，能够大规模生产。
　　本文还系统研究了碳纤维氮化硼涂层的制备工艺。探究了浸渍溶胶的单体浓度、浸渍时间、浸渍干燥周期数对碳纤维表面形貌的影响。并通过对氮化硼前驱体浸渍凝胶的探究确定了碳纤维氮化硼涂层的制备工艺。还对传统的溶液浸渍法和改进之后的溶胶凝胶法浸渍形貌进行了对比。结果表明使用传统溶液浸渍法，经过较少的浸渍干燥周期，硼酸和尿素在碳纤维表面分别析出。即使提高浸渍干燥周期，氮化硼前驱体在纤维表面的析出量还是较少，并且不均匀。当氮化硼前驱体浸渍溶胶的单体浓度为0.376mol/L时，溶胶能够在纤维表面形成一层膜状物质，硼酸尿素在凝胶化过程中会被均匀分散在聚丙烯酰胺的网络化凝胶结构中。单体浓度过低时，溶胶不具备成膜能力。单体浓度过高会使得溶胶成膜能力丧失。探究发现，纤维最佳浸渍工艺是浸渍时间为3min，单体浓度为0.376mol/L，浸渍干燥周期为两次。对氮化硼前驱体凝胶研究发现，在温度为300℃时的中温阶段，保温时间的延长有利于提高六方氮化硼的结晶度，但是保温时间过长会对产物产生不利影响。高温氮化阶段保温时间的延长和氮化温度的提高有利于提高氮化硼的结晶度。综合考虑，选择中温阶段300℃保温90min，高温阶段850℃保温5h作为碳纤维氮化硼涂层的处理工艺。采用溶胶凝胶法制备氮化硼涂层的优点在于，丙烯酰胺单体的引入能够使得硼酸和尿素参与到凝胶化过程，从而它们能被固定在高分子网络结构中，达到均匀分散在纤维表面的目的。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 氮化硼(BN)的性质

1．3 BN的制备

1．3．1 BN颗粒的制备

1．3．2 BN纤维的制备

1．3．3 BN涂层的制备

1．4 BN的应用

1．5 本文的研究目的和内容

第二章 实验材料及方法

2．1 引言

2．2 实验材料

2．3 实验设备

2．4 技术路线

2．4．1 h-BN的表面修饰

2．4．2 PVA／h-BN复合材料的制备

2．4．3 碳纤维BN涂层的制备

2．5 测试及表征方法

2．5．1 场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察

2．5．2 金相显微镜观察

2．5．3 透射电镜(TEM)表征

2．5．4 热分析

2．5．5 X射线衍射(XRD)分析

第三章 h-BN的修饰及性能研究

3．1 引言

3．2 单宁酸对h-BN的表面修饰机理

3．3 修饰体系中单宁酸对h-BN的影响

3．3．1 SEM分析

3．3．2 h-BN@TA热分析

3．3．3 XRD分析

3．4 改性时间对h-BN的影响

3．4．1 SEM分析

3．4．2 h-BN@TA热分析

3．4．3 XRD分析

3．5 TEM分析

3．6 XPS表征分析

3．7 h-BN@TA的分散性研究

3．7．2 h-BN@TA在其他溶剂中的分散性

3．8 本章小结

第四章 PVA／h-BN复合材料

4．1 引言

4．2 h-BN在PVA基体中的分散性研究

4．3 PVA／h-BN复合材料的导热性能研究

4．3．1 PVA／h-BN导热系数

4．3．2 PVA／h-BN复合材料金相分析

4．3．3 PVA／h-BN@TA 复合材料金相分析

4．3．4 PVA／h-BN复合材料截面形貌研究

4．3．5 PVA／h-BN复合材料导热模型研究

4．4 PVA／h-BN复合材料水接触角研究

4．5 XRD性能研究

4．6 本章小结

第五章 碳纤维BN涂层的制备工艺研究

5．1 引言

5．2 BN前驱体浸渍溶胶配方的研究

5．2．1 传统溶液浸渍法对纤维浸渍干燥形貌的影响

5．2．2 单体浓度对溶胶凝胶化时间和纤维浸渍形貌的影响

5．2．3 溶胶凝胶法下浸渍时间对纤维浸渍结果的影响

5．2．4 BN前驱体凝胶热分析

5．2．5 溶胶凝胶法热处理工艺研究

5．3 溶胶凝胶法制备的涂层碳纤维形貌、结构和抗氧化性能分析

5．3．1 涂层碳纤维的形貌及结构

5．3．2 涂层碳纤维的抗氧化性能

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

参与的科研项目