高导热环氧纳米复合材料的制备与性能表征

为提高环氧树脂(EP)导热率,文中在树脂基体中复配不同维度的导热填料——"0维"纳米氮化铝(nano-AlN)和"1维"碳纳米管(MCNTs)以期构建三维导热网络。使用N-(β-氨乙基)-γ-氨丙基三甲氧基硅烷偶联剂(KH792)对纳米AlN进行表面改性,并通过酰胺法在H2SO4/HNO3酸化MCNTs表面成功接枝了二乙烯三胺(DETA),提高了无机填料与树脂基体之间的界面相容性,使导热网络的热传递效率大大提高。红外光谱、X射线衍射、拉曼光谱的结果均表明KH792和DETA已分别成功地接枝到纳米AlN和MCNTs表面。扫描电镜显示填料均匀分布在树脂基体中。导热测试证明,添加不同维度填料构建三维导热网络,以及对填料表面进行的有机改性,可以有效提升复合材料的导热率,当混合填料的体积分数(φ)为50%时,复合材料的导热率可提高至2.32 W/(m·K)。     

电子封装用氰酸酯复合材料的研究

采用氮化铝(AlN)和纳米氮化铝(n-AlN)、二氧化硅(SiO2)以及经过硅烷偶联剂(KH560)处理的AlN和SiO2与氰酸酯(CE)树脂共混,设计制备了AlN/CE,n-AlN/CE,AlN-SiO2/CE和AlN(KH560)-SiO2(KH560)/CE复合材料。研究了填料的种类、粒径、含量和表面性质对复合材料导热性能、介电性能的影响。结果表明:填料对复合材料的导热性能有显著影响,用n-AlN和AlN混合填充CE,不同粒径的AlN可以形成紧密堆砌而提高热导率λ。高含量的AlN添加到CE中会提高复合材料的介电常数,但将SiO2部分取代AlN,能减少介电常数的增加量。     

具有三维连续网络结构的聚合物基导热复合材料研究进展

热界面材料可以有效地将高温电子器件的热量快速传递到热管理元件,以缓解电子器件过热而导致的元件寿命恶化的问题。近年来,由聚合物和高导热填料制成的聚合物基复合材料因其密度低、导热性能可调而受到广泛关注。不同于传统的填料随机分散的复合材料,在聚合物基体中构建三维连续网络结构可以显著增加填料/填料接触、降低导热渗透阈值和界面热阻,显著改善复合材料的导热性能。首先,简要分析了聚合物基导热复合材料的导热机制。其次,总结了具有连续网络结构的聚合物基导热复合材料的构筑工艺,主要包括基于三维导热填料网络的预构筑、基于聚合物颗粒/粉末的后加工、基于聚合物纤维/织物的后加工、基于聚合物胶乳的铸膜或絮凝等工艺。再次,系统总结了不同类型的导热填料对聚合物复合材料导热性能的影响,主要包括金属填料、陶瓷填料、碳基填料及其混杂填料等。最后,对具有三维连续网络结构的聚合物基导热复合材料的发展前景进行了展望。     

有机硅树脂基导热复合材料的制备与导热性能研究

以自制甲基苯基乙烯基有机硅树脂(SR)为基体,分别填充Al2O3、BN、Si3N4、AlN和SiC等导热填料,制备出一系列有机硅树脂基导热复合材料,并重点对系列复合材料的导热性能进行综合对比和分析。研究结果表明,添加20份AlN填料,可将有机硅树脂的导热性能提升到其纯树脂的2倍以上。同时AlN的用量和粒径会对SR/AlN复合材料的导热系数产生直接的影响,其导热系数随AlN用量的增加而增大,在0.03、2μm和5μm 3种粒径规格中,粒径为2μm的AlN改性有机硅复合材料的导热系数最大。进一步的研究表明,相对于SR/AlN,将BN与AlN按4∶6的体积比复配后填充制备的SR/BN/AlN复合材料的导热性能得到了进一步的提升,其导热系数达到了1.885W/(m·K)。     

BN表面改性对BN/环氧树脂复合材料导热性能的影响

采用十八烷基三甲基溴化铵（OTAB）阳离子表面活性剂对BN微米片进行有机化改性,研究了BN表面改性对BN/环氧树脂复合材料导热性能的影响。当OTAB浓度为0.6 g · L^-1时,BN表面的OTAB吸附量接近饱和。BN表面改性提高了环氧树脂对BN的浸润性,降低了BN的导热系数。SEM观察及黏度测试结果表明：BN表面改性改善了BN/环氧树脂复合材料的界面性能及体系相容性。由于界面热阻的降低,改性BN/环氧树脂复合材料的导热系数高于未改性BN/环氧树脂复合材料,当BN填充量为30%（填料与树脂基体的质量比）时,改性BN/环氧树脂复合材料的导热系数为1.03 W （m · K）^-1,是未改性BN/环氧树脂导热系数（0.48 W （m · K）^-1）的2.15倍。     

低迁移绝缘导热硅脂界面材料的制备及其性能研究

本研究针对航天器界面材料对高导热、绝缘、低迁移特性的要求,基于分子链缠结理论,自制长链烷基改性硅油(AMS)和含氟碳长链改性硅油(FPS)作为基体,以类球状氮化铝和片状氮化硼为导热填料,制得低迁移绝缘导热硅脂界面材料.通过不同粒径填料的粒径复配、发挥不同形貌填料的协同作用、填料表面改性等,导热硅脂的导热性能可达2.51 W/(m·K),其体积电阻为3.1×1015Ω·cm,击穿电压为10.1 kV·mm-1.对以自制改性硅油为基体制得的导热硅脂进行迁移性能测试,同时对基体硅油进行表面张力和接触角测试,结果表明,导热硅脂的迁移特性与基础油在迁移测试板上的接触角具有相关性.通过引入长支链增加硅油分子链缠结、改善基础油在涂覆面上的接触角,可有效降低导热硅脂的迁移.     

LD-144改性氮化铝/环氧树脂新型电子封装材料的性能研究

采用钛酸酯偶联剂LD-144对AlN粉末进行表面改性,通过机械搅拌,超声波处理制备AlN/环氧树脂(EP)新型高导热电子封装材料。研究不同钛酸酯偶联剂含量及AlN粉末含量对复合材料的导热性能、热膨胀系数以及介电性能等的影响。结果表明:偶联剂对AlN粉末的改性有利于其与基体EP的界面结合,且随着填料AlN含量的增加,复合材料的导热性能提升明显,热膨胀系数有一定程度的下降。     

原位聚合法制备SiC@SiO2/BN/PI复合材料及其表征

聚酰亚胺复合材料以其优异的性能以及在航空航天、轨道交通、微电子等领域广泛的应用前景引起越来越多的关注。在750 ℃条件下对SiC晶须进行表面氧化处理, 形成SiC@SiO₂包覆结构晶须, 与BN颗粒构成复合填料, 分别采用硅烷偶联剂和钛酸酯偶联剂进行表面改性, 用原位聚合法制备了SiC@SiO₂/BN/PI(PI:聚酰亚胺)复合材料。采用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)等进行结构和性能表征。结果表明: 晶须与颗粒质量比为4 : 1时, 复合填料在PI基体内形成了有效的导热网络, 且当填料含量为45wt%时, SiC@SiO₂/BN/PI复合材料导热系数达到0.95 W/(m·K)。SiC@SiO₂/BN/PI复合材料的力学性能随着复合填料的种类和数量的变化呈现规律性变化。SiO₂氧化层阻断复合填料间自由电子的移动, SiC@SiO₂/BN/PI复合材料的电气绝缘性能下降幅度减小。     

氮化硼/聚合物导热复合材料界面热阻调控研究进展

随着5G时代的发展，电子器件领域的热管理问题日发严峻。氮化硼（BN）是一类高热导率（TC）、高绝缘的导热填料，广泛应用于热管理领域，包括六方氮化硼（h-BN）、氮化硼纳米片（BNNS）和氮化硼纳米管（BNNT）。然而，BN表面呈化学惰性，其与基体或其他填料间亲和力低、声子谱失配等，导致了填料与基体/填料间存在明显的界面热阻，限制了复合材料TC的提升，难以满足使用要求。因此，如何调控界面热阻、设计BN/聚合物导热复合材料的热传导界面，并提高复合材料的导热能力是当前亟待解决的难题。研究者分别从理论模拟与实验验证两个角度对热流在界面传导的差异及其原因进行探索。在理论研究中，将分子动力学（MD）模拟及有限元模拟（FEA）等方法结合有效介质模型及其优化模型、Foygel模型等能够对界面热阻（ITR）进行深入的理论模拟与分析；其中，影响界面热阻的关键参数包括BN含量、尺寸及晶体状态、BN的分布形貌等。在实验设计中，为了改善填料与基体间界面热阻，首先对BN表面共价键改性或表面包覆，随后结合聚合物种类设计相应的官能团来改善BN与聚合物的界面作用力；其中BN表面的共价键改性对BN本身晶体结构有一定的破坏...     

KH550改性氮化硼/氰酸酯树脂导热复合材料的研究

采用硅烷偶联剂KH550对氮化硼粉末(BN)进行了表面改性,并制备了氰酸酯树脂/氮化硼导热复合材料。研究了BN含量对复合材料的导热性能、电绝缘性能的影响,并运用扫描电子显微镜对材料的断面形貌进行了观察。结果表明:少量BN的加入能有效改善氰酸酯复合材料的导热性能,且复合材料仍保持良好的电绝缘性能。当BN的体积分数达到23.6%时,复合材料的导热系数为1.33W·m-1·K-1,为纯树脂材料的4.6倍。     

AlN表面处理及级配填充对覆铜板绝缘层性能的影响规律与机制研究

在覆铜板绝缘层基体中添加导热陶瓷填料是提高其导热性能的一种有效方法。AlN是一种导热率高、绝缘性好的陶瓷填料, 但其易水解的性质限制了实际应用。此外, 相比于陶瓷填料-树脂基体复合材料体系, 有关填料填充型覆铜板产品性能的系统研究较少。本研究通过对AlN进行磷酸酸洗, 获得了抗水解性能优异的pAlN, 进一步研究了不同pAlN粒径和填充量对覆铜板导热性、剥离强度、介电性能和其他性能的影响。为了获得更有效的填料分布网络, 采取了不同粒径pAlN级配填充策略, 探究了多种级配方案对覆铜板性能的影响, 获得了最优级配和综合性能优异的覆铜板。在最优级配为pAlN-50 μm60%-5 μm5%时, 覆铜板绝缘层的热导率增大至0.757 W/(m·K), 相比纯树脂覆铜板提高160%, 具有优异的力学性能(剥离强度为1.012 N/mm, 弯曲强度为335 MPa)和介电性能(介电常数为4.499, 介电损耗为6.668×10^-3), 同时吸水率低至0.53%。同时探讨了AlN填料在覆铜板应用中存在的问题和解决方法, 系统研究了不同填充方案对覆铜板绝缘层性能的影响, 对其实际应用具有指导意义。     

Thermally conducting aluminum nitride polymer-matrix composites

Thermally conducting, but electrically insulating, polymer-matrix composites that exhibit low values of the dielectric constant and the coefficient of thermal expansion (CTE) are needed for electronic packaging. For developing such composites, this work used aluminum nitride whiskers (and/or particles) and/or silicon carbide whiskers as fillers(s) and polyvinylidene fluoride (PVDF) or epoxy as matrix. The highest thermal conductivity of 11.5 W/(m K) was attained by using PVDF, AlN whiskers and AlN particles (7 μm), such that the total filler volume fraction was 60% and the AlN whisker–particle ratio was 1:25.7. When AlN particles were used as the sole filler, the thermal conductivity was highest for the largest AlN particle size (115 μm), but the porosity increased with increasing AlN particle size. The thermal conductivity of AlN particle epoxy-matrix composite was increased by up to 97% by silane surface treatment of the particles prior to composite fabrication. The increase in thermal conductivity is due to decrease in the filler–matrix thermal contact resistance through the improvement of the interface between matrix and particles. At 60 vol.% silane-treated AlN particles only, the thermal conductivity of epoxy-matrix composite reached 11.0 W/(m K). The dielectric constant was quite high (up to 10 at 2 MHz) for the PVDF composites. The change of the filler from AlN to SiC greatly increased the dielectric constant. Combined use of whiskers and particles in an appropriate ratio gave composites with higher thermal conductivity and low CTE than the use of whiskers alone or particles alone. However, AlN addition caused the tensile strength, modulus and ductility to decrease from the values of the neat polymer, and caused degradation after water immersion.     

BN/HDPE导热塑料的热导率

用粉末混合法制备了氮化硼增强高密聚乙烯塑料,研究了材料内部填料分散状态,填料含量,基体粒径和温度对热导率的影响。结果表明,材料中填料粒子围绕在聚乙烯粒子周围,形成了特殊的网状导热通路;增大填料用量和基体粒径,热导率升高;填料体积用量为30%时体系热导率达0.96 W/m.K,是基体热导率的3倍多。用Y.Agari模型分析了基体粒径对形成导热通路的影响。此外,使用氧化铝短纤维和氮化硼混杂填料能获得更高的热导率。     

Thermal conductivity of polystyrene–aluminum nitride composite

The thermal conductivity of polymer composites having a matrix of polystyrene (PS) containing aluminum nitride (AlN) reinforcement has been investigated under a special dispersion state of filler in the composites: aluminum nitride filler particles surrounding polystyrene matrix particles. Data for the thermal conductivity of the composites are discussed as a function of composition parameters (aluminum nitride concentration, polystyrene particle size) and temperature. It is found that the thermal conductivity of composites is higher for a polystyrene particle size of 2 mm than that for a particle size of 0.15 mm. The thermal conductivity of the composite is five times that of pure polystyrene at about 20% volume fraction of AlN for the composite containing 2 mm polystyrene particle size. The relationship between thermal conductivity of composites and AlN filler concentrations has been compared with the predictions of two theoretical models from the literature.     

AlN添加量对BN基复合陶瓷热学性能与抗热震性的影响

以BN、SiO₂、AlN为原料, 采用热压工艺制备出BN基复合陶瓷。研究了AlN添加量对复合陶瓷热学与抗热震性能的影响。结果表明: 随着AlN添加量的增加, 复合陶瓷的热膨胀系数呈现先降低后升高的趋势。当AlN的添加量为5vol%时, 复合陶瓷的平均热膨胀系数最小, 为2.22×10^-6/K; 复合陶瓷的热导率则随着AlN添加量的增加呈先升高后降低的趋势, 当AlN的添加量为10vol%时达到最大值。未添加AlN的复合陶瓷热震后的残余强度随着热震温差的增大而升高; 随着AlN的引入, 复合陶瓷热震后的残余强度呈下降的趋势。对于添加5vol%AlN的复合陶瓷, 经1100℃热震后其残余强度为219.7 MPa, 强度保持率为88.9%, 抗热震性良好。     

原位裂解碳对氮化铝基微波衰减陶瓷性能的影响

碳材料具有优异的吸波性能, 但是难以在陶瓷基体中均匀分散。本研究通过酚醛树脂裂解的方法在氮化铝陶瓷基体中引入碳, 研究了酚醛树脂的添加量对氮化铝陶瓷烧结性能、微观形貌、导热性能和介电性能的影响。研究发现, 酚醛裂解形成的碳能够有效促进氮化铝陶瓷的致密化进程, 降低烧结温度。当酚醛树脂含量为3wt%, 1700℃烧结后陶瓷的致密度达到99.26%。此外, 裂解碳的引入能够显著提高材料的导热性能, 并在材料的气孔中和氮化铝的晶界处形成碳膜, 从而显著提高材料的介电性能。当酚醛树脂含量为6wt%时, 材料热导率达135.1W/(m·K), 在X波段的介电损耗为0.3, 表明材料具有良好的微波衰减能力, 有望应用于大功率的微波电真空器件中。     

氮化硅/聚苯乙烯复合电子基板材料制备及性能

以Si3N4粉末作为增强组元与颗粒状聚苯乙烯进行复合,用热模压法制备了氮化硅/聚苯乙烯复合电子基板材料。研究了Si3N4含量和聚苯乙烯颗粒大小对复合材料导热性能和介电性能的影响,通过理论分析确定了影响导热性能的主要因素。研究结果表明,随Si3N4含量的增加,复合材料中粉末形成导热网络,复合材料的热导率也随之增加,聚苯乙烯颗粒尺寸越大,复合材料热导率越大。热导率的增加与导热网络的形成有关,增加Si3N4含量和聚苯乙烯颗粒尺寸都有助于导热网络的形成。复合材料的介电常数取决于复合材料体系组元的体积含量。     

混杂填料填充导热硅橡胶性能研究

以甲基乙烯基硅橡胶为基胶,选用不同粒径氮化硅粒子和碳化硅晶须为填料制备了导热硅橡胶.研究表明:大小粒子以最佳比例进行混合填充时橡胶可获较高热导率,并采用Hasselman模型和等效粒径概念来研究混合粒子体系的热导率;将碳化硅晶须和氮化硅粒子并用,在较低用量下体系呈现较高热导率.此外,随混合填料用量增加橡胶热膨胀系数降低,热稳定性提高.     

Epoxy Composites Filled with Micro-Sized AlN Particles for Microelectronic Applications

With the rapid development of the electronic information industry, better properties are required for substrate and packaging materials such as high thermal conductivity, low coefficient of thermal expansion, and low dielectric constant. Polymers are ordinarily being used for this purpose due to their high electrical resistivity and low density, but unfortunately they suffer from a disadvantage like low thermal conductivity. To offset this deficiency, adding inorganic conductive particles to polymer is a versatile method. In view of this, the present work aims at developing a class of particulate filled polymer composites with micro-sized aluminum nitride (AlN) particles having an average particle size of 60–80 µm reinforced in epoxy matrix. A set of composites, with filler content ranging from 0 to 25 vol%, have been prepared by the hand-layup technique. Effects of filler percentage on various properties like effective thermal conductivity (k_eff), coefficient of thermal expansion (CTE), glass transition temperature (T_g), and dielectric constant (ε_c) are studied. It is found that the incorporation of AlN in resin increases the k_eff and T_g, whereas CTE of the composite decreases favorably. Though dielectric constant of the matrix increases with filler content yet it remains well within the desirable limit. With modified thermal and dielectric characteristics, these composites can possibly be used for microelectronics applications.