氮化铝微球的制备及其在高导热复合材料中的应用

摘要

目前，电气、电子产品都朝着质轻、体积小、集成度高和功率大等方向发展，这对其封装材料提出了更高的要求，它不再止于导热系数这一单一性能。导热绝缘材料由于有耐腐蚀、价廉、质轻、易加工、成型能耗低、电绝缘性能好等无可比拟的优异性能而受到越来越广泛的重视。本文主要研究了氮化铝微球的可控制备以及利用氮化铝微球为填料研究了表面改性、填料含量、多壁碳纳米管共掺和聚合物基体对高导热绝缘复合材料性能的影响。
　　本研究主要内容包括：⑴采用溶胶凝胶法与氮化还原法相结合的模式制备了氮化铝微球，研究凝胶促进剂PO和表面添加剂（十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、硫酸铵、氯化铵、蔗糖、柠檬酸、PEO-PPO-PEO和聚乙二醇）对氮化铝前驱体形貌和球粒径的影响。结果表明PO会加速凝胶反应过程，添加量在7-9 ml的范围内能得到球形前驱体。表面添加剂（硫酸铵、氯化铵、蔗糖、柠檬酸、PEO-PPO-PEO和聚乙二醇）的加入均会使氮化铝前驱体的粒径变大，而十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的加入则会使氮化铝前驱体的粒径变小。⑵以超高分子量聚乙烯(UHMWPE）作为聚合物基体，改性过的氮化铝（KH550-AlN）微球作为填料，通过溶液混合和热压成型的方法制备了 KH550-AlN/UHMWPE复合材料，比较了自制氮化铝微球和商业氮化铝颗粒对复合材料导热性能的影响，同时研究了填料含量对KH550-AlN/UHMWPE复合材料的热稳定性、导热性能、力学性能和电绝缘性的影响。热分析表明氮化铝的添加使复合材料的熔融温度和热分解温度提高，结晶度稍减少；导热结果表明自制氮化铝微球填充的复合材料具有更高的导热系数，随着氮化铝含量的提高，KH550-AlN/UHMWPE复合材料的导热系数增加，当填充量高于30wt%，复合材料的导热系数由于导热网链的形成而出现明显的上升。力学分析表明复合材料拉伸强度和断裂伸长率都随氮化铝填充量的增加而降低。电绝缘性能测试表明在整个KH550-AlN的添加范围内，复合材料的介电常数小于7，介电损耗在10-2的数量级内，表面和体积电阻率在1014数量级上，这说明复合材料的电绝缘性能满足绝缘材料的要求。⑶采用多巴胺(DA)对多壁碳纳米管（MWCNT）进行表面化学修饰得到聚多巴铵（PDA）包覆的多壁碳纳米管(PDA-MWCNT)，然后在40 wt%KH550-AlN填充的UHMWPE复合材料中添加1 wt%的PDA-MWCNT制备PDA-MWCNT/KH550-AlN/UHMWPE复合材料。采用SEM、TEM、FTIR、TG和XPS对PDA-MWCNT进行表征，同时测量PDA-MWCNT/KH550-AlN/UHMWPE的导热系数和拉伸性能。SEM、TEM、FTIR、TG和XPS结果都说明据多巴胺成功包覆在MWCNT表面，且改性过的MWCNT与KH550-AlN/UHMWPE复合材料之间具有很好的界面相容性。热导和力学测试结果表明在PDA-MWCNT/KH550-AlN/UHMWPE复合材料具有比KH550-AlN/UHMWPE更高的导热系数和拉伸强度。⑷讨论了聚苯乙烯(PS)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚苯硫醚(PPS)和聚酰胺6(PA6)四种聚合物基体中分别添加60 wt%KH550-AlN和60 wt%PDA-Al2O3后的导热系数，研究聚合物基体在高导热材料中的作用。结果表明聚合物基体在制备高导热复合材料中起着非常重要的作用，复合材料导热系数从大到小顺序为PA6>HDPE>PPS>PS，相对应的导热系数分别是1.85、1.41、0.95和0.84 W·m-1·K-1。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 氮化铝导热性能的概述

1.3 溶胶-凝胶法简介

1.4 氮化铝填充的导热绝缘材料

1.5 本论文的选题意义和主要研究内容

第二章 实验研究方法

2.1 实验原料及仪器设备

2.2 氮化铝微球的制备

2.3 硅烷化改性球形氮化铝颗粒

2.4 AlN/UHMWPE复合材料的制备

2.5 聚多巴胺包覆的MWCNT和Al2O3的制备

2.6 PDA-MWCNT/KH550-AlN/UHMWPE复合材料制备工艺

2.7 KH550-AlN或PDA-Al2O3填充的复合材料的制备

2.8 样品的组成、结构和性能表征手段

第三章 氮化铝(AlN)微球的制备

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 AlN/UHMWPE复合材料的制备及性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果讨论

4.4 本章小结

第五章 PDA-MWCNT/KH550-AlN/UHMWPE复合材料的制备

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

第六章 氧化铝或氮化铝绝缘导热复合材料的制备与性能研究

6.1 引言

6.2 实验部分

6.3 结果与讨论

6.4 本章小结

第七章 结论

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果