[发明专利]一种含微纳杂化结构填料的聚合物复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种含微纳杂化结构填料的聚合物复合材料及其制备方法，所述复合材料由石墨烯纳米片、镁盐晶须和聚合物基体组成。本发明采用多尺度、多维度的“石墨烯纳米片+镁盐晶须”组成的有机‑无机杂化体在聚合物基体中构筑稳定、完善、高效的导热网链，在较低填料添加量下大幅提高复合材料的导热性能，同时保证了良好的熔融加工性能。另一有益效果是，所述杂化结构填料对复合材料还具有良好的增强增韧效应，显著改善了复合材料的综合力学性能。该方法生产工艺简便易实施，原料来源丰富，安全环保，且生产成本低。

技术领域

本发明涉及一种含微纳杂化结构填料的聚合物复合材料及其制备方法，特别涉及一种兼具高熔体强度、高导热系数、高力学性能的聚合物复合材料及其制备方法，属于功能性聚合物复合材料领域。

背景技术

近年来，随着微电子封装技术和集成技术的高速发展，电子元器件的输出功率越来越大而体积越来越小，积热产生的高热环境会使器件的工作稳定性差、寿命降低。因而，电子行业对热量管理系统提出了更高要求，导热件必须能迅速将热量扩散出去，避免设备的使用寿命受到损害。尽管聚合物导热材料具有质轻、耐冲击、耐腐蚀、耐热疲劳和易加工成型等良好的综合性能，但大多数聚合物材料是热的不良导体，本征导热系数仅为0.1～0.4W/m·K，难以满足快速散热的要求。因此，如何有效增强聚合物材料的热导率已成为材料和工程领域研究人员的关注热点。

固体的导热载体一般可以分为电子、光子和声子。金属材料因含有大量的自由电子而体现高热导率。含有晶体结构的材料可以通过晶粒的热振动来完成热量传导，即我们所描述的声子概念；非晶材料的导热主要依赖于无规排列的原子或分子围绕某一固定位置进行热振动，也可用声子的概念来解释；而具有较好透射性的玻璃和单晶体，在一定温度下光子对导热有明显的作用。聚合物材料的热导率与分子量、交联度、结晶度、取向度和环境温度有一定的正相关性。

聚合物材料的声子自由程很小，导致导热率很低。添加碳纳米填料(如，一维的碳纳米管和二维的石墨烯纳米片)是提高聚合物导热性能较为有效的途径。除基体的导热系数外，复合材料的导热性能取决于填料的本征导热系数、分散状态及其与基体之间的相互作用。复合材料的热阻主要来自于热导率较低的聚合物基体：在导热填料含量较低时，虽能均匀分散却彼此孤立，呈现“海-岛”离散型结构，填料的导热系数再高也对提高复合材料导热性能的贡献不大；只有增加填料用量至某一临界值，填料之间能够相互搭接形成类似网状或链状的结构，即导热网链，才能迅速提高复合材料的热导率。这在Yu等人的研究中获得了证实(Advanced Materials 2008,20,4740)：选用单壁碳纳米管和石墨片质量比为3:1的混合填料(10wt％)，可以构建相互搭接的导热网链，降低界面热阻，提高环氧树脂的导热系数至1.75W/m·K，均明显高于只添加石墨纳米片(1.49W/m·K)或单壁碳纳米管(0.85W/m·K)的复合材料。但是，环氧树脂复合物的导热系数仍低于2W/m·K，在电子行业的应用可能受到限制。