还原氧化石墨烯@氮化碳/环氧树脂复合材料的制备及性能研究

摘要

现代电子设备正朝着微型化、集成化和多功能化的方向快速发展,如何将功率越来越大的集成电路所产生的热量散发出去,成为电子封装领域的主要问题之一.聚合物基复合材料广泛应用于电子封装领域,因此聚合物基高导热复合材料的研发是电子封装领域当前研究热点之一.本论文主要以新型二维纳米材料-类石墨相氮化碳（B-g-C3N4)和还原氧化石墨烯为复合导热填料(RGO@g-C3N4),环氧树脂(EP)为基体,制备了高导热环氧树脂基复合材料,重点研究了二维纳米片g-C3N4和RGO的制备与复合技术,探讨了导热填料对复合材料的导热性能、电气绝缘性能、热稳定性以及机械加工性等综合性能的影响.　　采用三聚氰胺热缩聚法制备了B-g-C3N4,并采用XRD、FTIR、TGA、SEM对B-g-C3N4的结构和形貌进行表征.重点研究了B-g-C3N4与环氧树脂复合材料的导热和绝缘性能.结果表明,在20℃时,当B-g-C3N4的填充质量分数为70 wt%时,B-g-C3N4/EP复合材料的导热系数达到0.63 W/(m?K),是纯的环氧树脂的3倍,击穿电压为3.8 kV,满足电子电器使用3.0 kV的要求.与目前市面广泛使用的导热填料Al2O3相比,填充质量分数均为70 wt%，70 wt%B-g-C3N4/EP的密度为1.57 g/cm3小于70 wt%Al2O3/EP(1.88 g/cm3),更适合作为低比重的电子密封导热绝缘胶.另外,70 wt%B-g-C3N4/EP复合材料的极限氧指数达到了29.3%,是纯的环氧树脂的1.5倍.随着填充质量分数的提高,复合材料的拉伸强度、热分解温度、玻璃化转变温度先提高再减小,在50 wt%填充质量分数时达到最高,50 wt%B-g-C3N4/EP复合材料的拉伸强度由61.3 MPa提高到了65.8 MPa,热分解温度从323.0℃提高到了347.3℃,玻璃化转变温度从64℃提高到88℃.　　通过NaOH溶液可以将块状多层类石墨相氮化碳(B-g-C3N4)剥离制成带负电的纳米片层类石墨相氮化碳(g-C3N4),将此与聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)改性后带正电的还原氧化石墨烯(RGO)静电自组装,制得面面结合的RGO@g-C3N4二维层状复合材料导热填料.自组装过程Zeta电位的测定表明,两种二维层状材料组装过程主要受电中和作用的控制,可以通过调节表面Zeta电位的方法控制自组装中各组分的含量.傅里叶变换红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱 (XPS) 表征结果说明，以静电引力紧密结合的RGO@g-C3N4二维层状材料，表现出g-C3N4和RGO共同的结构特征;扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)进一步说明，复合后仍为片层状结构，两者在垂直方向上"面对面"叠加结合.　　将一定配比(mRGO∶mg-C3N4=1∶5)的RGO@g-C3N4作为导热填料,与环氧树脂组装得到系列复合材料RGO@g-C3N4/EP,并与RGO、g-C3N4简单物理混合得到的填料RGO+g-C3N4进行比较,研究填料对复合材料性能的影响.结果表明,填充质量分数为70 wt%时,RGO@g-C3N4/EP复合材料的导热系数为1.11 W/(m?K),高于RGO与g-C3N4机械混合制备的EP复合材料的导热系数0.75 W/(m?K),为基体环氧树脂的5.5倍;RGO@g-C3N4/EP复合材料的击穿电压3.5 kV,也显著高于RGO+g-C3N4/EP的击穿电压2.1 kV.通过填充RGO@g-C3N4,环氧树脂基复合材料的储能模量达到3910 MPa,比纯的环氧树脂提高了44%.同时,复合材料在玻璃化转变温度、热稳定性方面的性能也得到了一定提高.

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摘 要

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一

Content

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2材料导热机理

1.3导热聚合物材料研究进展

1.3.1 本征型导热聚合物的研究

1.3.2填充型导热聚合物的研究概述

1.3.3填充型导热聚合物导热系数的影响因素

1.4二维层状导热填料

1.5石墨相氮化碳

1.6 RGO@g-C3N4复合填料

1.7选题意义

第二章 类石墨相氮化碳的合成及其填充环氧树脂复合材料的性能研究

2.1 引言

2.2 实验仪器及原料

2.2.1 实验试剂与原料

2.2.2 实验仪器

2.3实验部分

2.3.1 B-g-C3N4的合成

2.3.2 B-g-C3N4/EP、Al2O3/EP复合材料的制备

2.3.3 性能测试与表征

2.4 结果与讨论

2.4.1 E51型环氧树脂环氧值的测定

2.4.2 B-g-C3N4的结构表征

2.5本章小结

第三章 静电自组装法制备RGO@g-C3N4复合填料

3.1引言

3.2.1实验试剂

3.2.2 实验仪器

3.3实验部分