纳米填料和高导热高分子复合材料制备及其性能研究.pdf

天津大学博士学位论文

纳米填料和高导热高分子复合材料的制备
及其性能研究


Preparation and Properties of Nano-fillers
and posites with High
Thermal Conductivity




一级学科:材料科学与工程
学科专业:材料学
研究生:高智芳
指导教师:万怡灶教授





天津大学材料科学与工程学院
二零一二年十一月
独创性声明

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中文摘要

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 Ts 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 Ts、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。

关键词: 导热高分子复合材料纳米填料石墨烯纳米杂化碳纳米管纳米杂化
混杂填充有限元模拟热导率
ABSTRACT


For the aim of improving heat dissipation problem of micro-electronic
components, guaranteeing the security and extending the serviced lives ponents,
it is crucial to develop the posites with high thermal conductivity. As a
rule, the high thermal conductivity posites are fabric