【摘 要】
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电气电子行业朝着高度集成化和高性能化的方向发展,器件单位面积的功率不断提高,伴随而来的发热量也在不断增加。如果电气电子设备长时间处于较高的温度下工作,不但自身的性
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电气电子行业朝着高度集成化和高性能化的方向发展,器件单位面积的功率不断提高,伴随而来的发热量也在不断增加。如果电气电子设备长时间处于较高的温度下工作,不但自身的性能会下降,其内部器件也会发生加速老化,导致寿命大大降低甚至直接失效,因此热管理对于电子电气设备显得至关重要。聚合物基导热绝缘复合材料由于具有耐腐蚀、质轻、易加工、电绝缘性能优良等特性而越来越受到行业内的广泛研究和使用。然而,由于聚合物基体的本征导热率较低,难以满足行业对于导热材料的特性需求。本文从导热填料组成结构的设计角度出发,通过自组装的方法,设计了一类微纳多级结构(纳米包覆微米)的复合填料,旨在为复合材料内部构建更加高效的填料导热通路,以此来提高聚合物的导热性能,并研究了填料包覆结构对复合材料电学性能和热稳定性的影响。首先,设计并合成了一种氮化硼纳米片包覆氧化铝微球(Al2O3@BNNS)作为高效导热复合填料,利用偶联剂对剥离的柔性氮化硼纳米片(BNNS)和Al2O3微球进行表面改性,分别引入可反应的基团。然后,引导这两种改性填料进行表面化学基团的相互反应产生键接,进而形成具有包覆结构的复合填料。将所制备的复合填料加入到环氧基体中并进行热压固化,获得高导热性能的复合材料。由于复合填料在复合材料内部构建了一个高效的BNNS导热网络,在体积分数仅为8.1%的BNNS填充量下,导热系数可高达2.43 W m-1 K-1,相比相同添加量下纯氧化铝填充的环氧复合材料导热率提升约74%,同时也保持了良好的电绝缘性能和热稳定性。接着,通过对微米级氧化铝和纳米级氧化铝填料表面进行硅烷偶联剂改性,溶液中反应制得了具有“草莓型”的新型高导热复合填料(μm@nm-Al2O3),并进而将其引入环氧树脂制备高导热绝缘环氧复合材料。结果表明:μm@nm-Al2O3复合填料可以很好的改善纳米填料在复合材料中分布不均匀的问题,并改善了填充大尺寸微米氧化铝造成的界面粘结较差的问题;所制备的复合材料在导热性能方面具有明显的提升,在总体积分数65%的填充体系中,微米级氧化铝和纳米级氧化铝体积比例为4:1时,μm@nm-Al2O3/Epoxy复合材料导热性能提升最大,相比于无规μm&nm-Al2O3/Epoxy、μm-Al2O3/Epoxy以及nmAl2O3/Epoxy复合材料,导热率分别提升12.1%、16.2%和21.5%;在总体积分数70%填充体系中,两种填料体积比例为5:1时复合材料导热性能提升最大,相比于无规μm&nm-Al2O3/Epoxy、μm-Al2O3/Epoxy以及nm-Al2O3/Epoxy复合材料,导热率分别提升12.3%、18.6%和23.0%;此外,μm@nm-Al2O3/Epoxy复合材料在提高导热性能的同时依然保持了良好的电绝缘特性和热稳定性,有望应用于电子封装、电气设备的热管理,并适用大部分工况。
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