导电/导热聚合物基复合材料的制备与性能研究

摘要

随着科技的快速发展，聚合物基功能复合材料的应用越来越广泛，如何制备性能优异的高分子复合材料成为研究的热点。聚合物基导电/导热复合材料是将导电/导热填料填充在聚合物基体中所制备的，能够应用于很多的电子电器产品中。为了达到所需要的导电或导热性能，通常需要添加较高含量的填料，这不仅增加复合材料加工成型的难度，同时还会损害材料的力学性能。大多数的导电或导热填料都是刚性粒子，它的加入会大大降低复合材料的韧性，使材料变得很脆。因此，如何降低复合材料的填料含量且保持优异的导电/导热性能成为一个迫切需要解决的问题。本论文主要的研究内容如下:
　　 1、以尼龙12(PA12)为基体、碳纳米管(MWNTs)为导电填料制备了PA12/MWNT导电纳米复合材料，研究了两相复合材料的电学、动态力学和热稳定性能。结果表明，MWNTs的加入极大的提高了复合材料的导电性能，两相复合材料的渗流阈值为1.45 wt％，同时复合材料的储能模量和热降解温度也随着MWNTs含量的增加而提高。为了进一步提高复合材料的导电性能，加入第二相聚合物马来酸酐接枝乙烯辛烯共聚物(POE-g-MA)制备了PA12/MWNT/POE-g-MA三相复合材料，体系的导电渗流阈值降低至0.63 wt％。同时还研究了碳纳米管含量不同时，PA12、MWNTs、 POE-g-MA三种组分的加工顺序对复合材料导电性能的影响，当MWNTs含量为2 wt％时，体系导电网络较不完善，加工顺序的改变对材料的导电性影响较大;当MWNTs含量增加至4 wt％时，体系中导电网络形成比较完善，加工顺序不太影响复合材料的导电性能。
　　 2、首先采用高温热还原法制备了石墨烯，通过红外、TEM和XRD结果发现，我们制备了剥离效果非常好的石墨烯。将石墨烯加入PA12中制备了PA12/石墨烯导电纳米复合材料，石墨烯在PA12中分散非常均匀，能够有效的提高复合材料的电导率，PA12/石墨烯两相纳米复合材料的渗流阈值仅为0.3 vol％，同时也提高了复合材料的动态力学性能和热稳定性能。当加入第二相聚合物POE-g-MA后，改变三种组分的加工顺序，能够进一步提高复合材料的导电性能。从SEM和TEM照片上看，石墨烯在两相聚合物中的分布情况随着加工顺序发生变化，当PA12与石墨烯先共混后再与POE-g-MA共混时，石墨烯分散在PA12基体中，此时复合材料的储能模量和导电性能最高。
　　 3、采用简单的溶液共混制备了高导热酚醛树脂复合材料，首先研究了石墨粒径的大小对复合材料热导率与电导率的影响，发现粒径越大复合材料的热导率与电导率越高。同时对比了复合材料的垂直热导率与水平热导率，随着石墨含量的增加，水平热导率与垂直热导率差别越来越大，说明石墨面内方向的热导率比层间热导率要大。随后添加了少量的碳纤维、p-MWNT和f-MWNT，发现它们与石墨之间有很好的协同效果，进一步地提高了复合材料的热导率和弯曲性能。但是，碳管在高含量下损害了复合材料的热导率和弯曲性能，从SEM图片可知，碳管在高含量下容易团聚而碳纤维却不会。
　　 4、以环氧树脂(EP)为基体、氮化铝(AlN)为填料制备了环氧/AlN绝缘导热复合材料，首先研究了氮化铝的粒径对复合材料热导率的影响，通过对比A10、A45和A106三种粒径的氮化铝发现，EP/A10复合材料的导热效果最差，而EP/A106与EP/A45复合材料的导热效果差不多，说明在一定范围内氮化铝粒径越大，复合材料导热性能越好，当粒径达到一定值时，其对复合材料导热性能影响不大，与理论计算结果一致。其次研究了不同长径比的填料之间对复合材料热导率的协同效果，将氧化铝纤维与A10氮化铝夹杂使用对复合材料的热导率没有起到正面的协同作用，而A45与A10氮化铝、A106与A10氮化铝之间有较好的协同效果。最后研究了KH550改性氮化铝对复合材料导热性能的影响，发现KH550改性不仅提高了复合材料的热导率，还提高了复合材料的绝缘性能。

目录

声明

学位论文数据集

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 聚合物基功能复合材料

1．2 复合材料的制备方法

1．2．1 原位聚合法

1．2．2 溶液混合法

1．2．3 熔体共混法

1．3 聚合物基导电复合材料

1．3．1 导电填料分类

1．3．2 导电机理

1．4 聚合物基导热复合材料

1．4．1 分类

1．4．2 导热机理

1．4．3 影响导热的因素

1．5 本论文的选题意义和主要研究内容

1．5．1 本论文的目的和意义

1．5．2 本论文的主要研究内容

第二章 PA12／MWNT／POE-g-MA导电纳米复合材料的制备与性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 PA12纳米复合材料的制备

2．2．3 表征与测试方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 加工参数对电学性能的影响

2．3．2 PA12／MWNT纳米复合材料性能研究

2．3．3 POE-g-MA对复合材料性能的影响

2．3．4 加工顺序对复台材料性能的影响

2．4 本章小结

第三章 PA12／石墨烯／POE-g-MA导电纳米复合材料的制备与性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料和仪器

3．2．2 样品制备

3．2．3 表征与测试方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 氧化石墨与石墨烯

3．3．2 PA12／石墨烯纳米复合材料的性能研究

3．3．3 PA12／石墨烯／POE-g-MA纳米复合材料的性能研究

3．4 本章小结

第四章 酚醛树脂／碳系填料导热复合材料的制备与性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验原料

4．2．2 实验主要仪器

4．2．3 样品制备

4．2．4 表征与测试方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 导热填料形貌

4．3．2 石墨对复合材料性能的影响

4．3．3 多种填料对复合材料性能的协同效果

4．3．4 复合材料的微观形貌

4．4 本章小结

第五章 环氧树脂绝缘导热复合材料的制备与性能研究

5．2 实验部分

5．2．1 实验原料

5．2．2 实验主要仪器

5．2．3 样品制备

5．2．4 表征与测试方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 颗粒大小对复合材料热导率的影响

5．3．2 不同填料复配对复合材料热导率的影响

5．3．3 KH550改性氮化铝对复合材料热导率的影响

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

研究成果和发表的学术论文

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