[发明专利]一种高强度、导热绝缘环氧树脂复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种高强度、导热绝缘环氧树脂复合材料及其制备方法。通过电化学沉积的方法，将表面改性纳米金刚石通过电化学沉积在碳纳米管纸内部三维网络上，形成导热绝缘的纳米金刚石包覆连续碳纳米管三维网络结构，再将环氧树脂渗入纳米金刚石包覆连续碳纳米管三维网络结构的孔隙中，得到环氧树脂复合材料。由于纳米金刚石优异的导热性能，均匀包覆在连续碳纳米管三维网络的表面，降低了碳纳米管之间的界面热阻，提高了连续碳纳米管三维网络结构的导热性能，同时，由于表面包覆的纳米金刚石的绝缘性质，降低了碳纳米管网络的导电性，所制备的环氧树脂复合材料具有良好的力学性能、导热性能和绝缘性能，在电子、电器和包装等领域有良好的应用价值。

技术领域

本发明涉及聚合物复合材料领域，具体涉及一种高强度、导热绝缘环氧树脂复合及其制备方法。

背景技术

随着自动化和智能化的深入应用，对相关的电子电器设备的要求也越来越高。对敏感电路及元器件进行长期、可靠地保护成为当今众多灵敏的电子设备应用中的重要问题。而作为结构设计中的一个重要方向，如何利用低电导、高热导率的散热材料有效地将芯片产生的热量快速导出并耗散掉，实现电子电器设备良好运转是目前研究的热点。其中，由于具有轻质、绝缘、耐腐蚀和良好的力学性能等，环氧树脂广泛用于电子、电器等领域。然而，环氧树脂在电子电器设备应用中的一个重大缺陷是其导热性能较差。

由于加工便捷、经济可行和可规模化生产等优点，以聚合物为基体，添加金属氧化物和陶瓷等导热绝缘填料是目前制备导热绝缘高分子复合材料的主要方法(Chen H.Y.,Ginzburg V.V.,et.al.Progress in Polymer Science,2016,59,41；Ouyang Y.G.,DingF.,et.al.Composites Part A:Applied Science and Manufacturing,2020,128,8；ShenZ.M.,Feng J.C.,et.al.Composites Science and Technology,2019,170,135-140)。然而，金属氧化物和陶瓷填料对聚合物导热性能的提高效率较低，即要使聚合物达到一定导热系数的填充量较大(一般＞30wt.％)，而大量的添加会降低聚合物材料其他性能如轻质性、加工性和力学性能等。因此，难以采用添加金属氧化物和陶瓷填料制备高强度、导热绝缘环氧树脂复合材料。

相对其他填料，碳材料如石墨、炭黑和碳纤维等，由于良好的增强、导热性能和轻质等性能而经常应用于聚合物中。其中，由于极高的本征热导率、较长的长径比使其能在较低的添加下就能够形成导热通路及其他的优良性质，碳纳米管被认为是制备高综合性能聚合物复合材料的理想填料(Blackburn J.L.,Ferguson A.J.,et.al.Advanced.Materials,2018,30,35；Li Y.C.,Huang X.R.,et.al.Journal of Materials Science,2019,54,1036)。然而，由于以下几个方面原因，绝大多数报道的CNTs/聚合物复合材料的导热性能远远低于预期，碳纳米管在导热绝缘聚合物中的应用具有技术上的困难。其一、由于碳纳米管管间及碳纳米管-聚合物之间的接触界面极小，存在较大的界面热阻，降低了碳纳米管对聚合物的导热改善效率。其二，极少量的碳纳米管添加难以达到较显著的应用效果，而大量的添加用传统的方法难以实现较好的分散效果。其三，碳纳米管具有导电性，在导热的同时也赋予聚合物较高的导电性能。

实际上，已有部分研究报道了碳纳米管作为填料增强聚合物材料的导热绝缘性能。非专利文献(Cui W.,Du F.P.,et.al.Carbon,2011,49,495)报道，利用纳米二氧化硅包覆，碳纳米管不仅在提高环氧树脂的同时，仍保留环氧树脂的绝缘性。中国专利CN106684045B报道了一种利用纳米金刚石包覆碳纳米管增强树脂导热绝缘的方法。然而，这些方法具有以下特点：(1)碳纳米管的包覆采用化学反应方法，工艺复杂，难以规模化制备。(2)包覆碳纳米管与环氧树脂的复合仍以低含量添加为主，增强效果有限(导热系数难以达到1W/mK)，难以制备兼具高强度、导热绝缘环氧树脂复合材料。因此，如何制备兼具高强度、导热绝缘性能的环氧树脂复合材料具有较大的技术挑战性。