纳米填料和高导热高分子复合材料的制备及其性能研究

摘要

开发导热高分子复合材料对改善微型电子元器件散热问题,保证其使用的安全性,延长使用寿命具有重要意义。目前,获得导热高分子复合材料主要依靠填充高导热的无机陶瓷粉体材料。大量粉体材料加入虽然提高了复合材料的导热性能,但降低了复合材料的力学性能,增大了其密度。因此,研究具有优良综合性能的导热高分子复合材料才能进一步扩大其应用的领域。本文制备了新型纳米填料,并研究了不同填料以及不同填充方式对PA6导热复合材料导热性能、力学性能、电绝缘性、加工性能等的影响;采用有限元技术分析了填料对复合材料热传导过程的影响。
　　首先,采用尿素法制备了纳米AlN、纳米AlN/CNTs和AlN/GE杂化材料作为新型纳米导热填料,通过SEM、XRD、TEM、FTIR、TG和XPS等手段对材料进行了表征,然后分别将三种纳米填料按相同配比与微米Al2O3混合,获得了填充导热环氧复合材料,并对复合材料导热性能、密度和热稳定性进行了分析与比较。结果表明,与只添加微米Al2O3的复合材料相比,纳米填料的加入明显提高复合材料的导热性能,导热系数由大到小分别是添加了AlN/CNTs、AlN/GE和纳米AlN填料的复合材料。此外,纳米填料的加入还降低了复合材料的密度,提高了复合材料初始分解温度和完全分解温度。
　　其次,研究了Al2O3、AlN、BN、SiC和石墨几种不同填料单一颗粒、颗粒混杂和纤维与颗粒混杂三种填充方式对PA6复合材料导热性能、力学性能、电绝缘性、密度、热变形温度和加工性能的影响。结果表明,单一无机陶瓷颗粒填充的复合材料力学性能较好、导热性能稍差,石墨填充的具有高导热性能,但力学性能差;而通过颗粒混杂填充得到的复合材料兼具了陶瓷颗粒填充时的良好力学性能和石墨填充的高导热性能,纤维的加入还可以进一步提高复合材料的综合性能。
　　最后,采用有限元软件分析了网格密度、填料种类以及树脂种类等对复合材料导热性能的影响。结果显示,模拟结果和实验结果接近,很好的反应了填料粒径、体积分数和种类以及树脂基体对导热复合材料的导热系数、温度场和热流分布的影响,可以为导热高分子复合材料的导热性能设计提供相应的参考依据。

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第一章 绪论

1.1导热高分子复合材料的研究

1.2材料的导热机理

1.3填充型导热高分子的导热填料

1.4导热系数测试方法

1.5高分子复合材料导热系数理论模型

1.6有限元数值模拟在高分子复合材料中的应用

1.7研究背景与内容

第二章 纳米AlN、AlN/CNTs和AlN/GE的制备、表征及应用

2.1实验材料及方法

2.2结果与讨论

2.3本章小结

第三章 导热聚酰胺复合材料的制备及性能研究

3.1实验材料和方法

3.2结果与讨论

3.3本章小结

第四章 导热高分子复合材料导热性能的有限元模拟

4.1复合材料模型建立

4.2结果与讨论

4.3本章小结

第五章 全文总结

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢