[发明专利]一种兼具高效导热性和优异力学性能的高分子基绝缘导热复合材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种兼具高效导热性和优异力学性能的高分子基绝缘导热复合材料及其制备方法，属于功能复合材料技术领域。

背景技术

随着电子产品向集成化、轻型化、高速化的方向发展，使其局部放热现象尤为严重。通过之前的研究可以看出，电子器件对于温度十分敏感，当温度有较小的变化，如升高10-15℃，便会使其使用寿命缩短两倍及以上(Ceramics International, 2014, 40, 2047-2056)。因此，如何制备出具有高效的导热性能且同时满足其使用环境下的力学性能的复合材料已经成为促进其进一步发展的重中之重。在之前的研究中可以发现，导电导热填料如石墨、石墨烯、碳纳米管等相较于绝缘导热填料具有更高的本体热导率（Progress in Polymer Science, 2011, 36, 914-944）和填充效率（Applied Thermal Engineering, 2014, 66, 493-498）。所以，如何将这种更加高效的导电导热填料引入绝缘导热体系中，并同时保持材料整体的绝缘性能成为目前的研究热点和难点。在当前的研究结果中，主要有两种解决方法，其一是通过在导电导热填料的导电域渗值下加入第二绝缘导热填料，来阻隔其导电通路（Composites Science and Technology, 2013, 89, 142-148）。虽然这种方法可以有效的降低材料整体的导电性能（可将电阻率提高到10⁹Ω·cm，满足绝缘材料使用要求），但其还是要受到到导电导热填料导电阈渗值的限制，即其高效导电导热填料的添加量十分有限，从而不足以对复合材料整体的导热性能做出足够的贡献。另一种方法则是对导电导热填料进行表面包覆处理，来屏蔽其本身的导电性能，这样便可完全解决填充复合材料的导电性的问题。但这种方法也存在本质上的缺陷，即通过表面涂覆层屏蔽其导电性能的同时，导电导热填料的本身高导热性能也会受到极大的影响，失去了其填充的高效性（RSC Advances, 2013, 3, 17373-17379），从而也达不到对其预期的效果。通过上述分析可以看出，如何真正的解决导电导热填料的高效的导热性能与导电性能之间的矛盾，依然是该研究领域的最大难题。因此在本发明中，在无需对填料进行任何表面处理的前提下，通过引入特殊的双向拉伸力场，实现导电导热填料的高度分散以及其中各向异性导电导热填料的完全取向，来切断其导电粒子间的搭接网络，从而可以有效的增加其导电阈渗值，提高了其在复合材料中的填充量，进而可以在绝缘导热复合材料体系的应用中体现出更高的价值和作用。同时为了进一步克服本发明专利中，粒子高度分散与导热网络的构建之间的不足，需向该体系中加入第二绝缘导热填料对导电导热粒子进行重新搭接，通过调节不同填料间的相应比例形成更多的导热网络，使得复合材料的导热性能进一步提高。

最后为了进一步优化体系，得到填料间较好的协同效果，我们有必要对复配的相关规律做一个简单的介绍。其原理主要是利用不同大小的填料或不同形状的填料间的交互使用，来构建出更多的、更加密实的粒子网络，从而显著增加复合材料整体的导热效率。并且在当前的研究中，学者们也进行了诸多体系的尝试，如微米-纳米粒子间的复配（Applied Physics Letters, 2012, 101, 062905）、片状-球状填料间的复配（Thermochimica Acta, 2012, 537, 70-75）以及纤维状-球状填料间的复配（Journal of Applied Polymer Science, 2012, 124, 132-137）等，均获得了较好的增强效果。尤其值得注意的便是以纳米粒子作为第二填料的填充体系，其在非常低的添加量下便可表现出优异的协同作用，如Dang Zhimin等人在加入占微米级填料氮化硅含量的1/12的纳米氧化铝时，其热导率相对于相同含量的单填料氮化硅填充体系提高了300%以上。并且在同时利用微米-纳米和纤维状-球状填料两种互配效应时，可以达到更加显著和突出的协同效果，如Teng Chih-chun等利用微米级别的氮化铝和纳米级别的碳管进行复配，当碳管含量占微米级氮化铝的1vol%时，其热导率接近之前单氮化铝组分的三倍（Composites: Part B, 2012, 43, 265-271），这也就为我们体系的设计以及填料间复配的潜能开发提供了依据和思路。

发明内容