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电镀与涂饰改性丨高导热硅酯复合材料的制备及性能【张崇印,王瑛,胡励,林连镔,李纪鹏,高缘,吴新锋 上海航天设备制造总厂有限公司】

   作者:编辑部    日期:2020-03-03     浏览:131    评论:0    
提示:北大中文核心,中国科技核心! 高导热硅酯复合材料的制备及性能张崇印1,王瑛2,胡励3,林连镔3,李纪鹏1,高缘2,吴新锋1, 2, *
 

北大中文核心,中国科技核心!


高导热硅酯复合材料的制备及性能

张崇印1,王瑛2,胡励3,林连镔3,李纪鹏1,高缘2,吴新锋1, 2, *(1.上海航天设备制造总厂有限公司,上海航天特种环境高分子功能材料工程技术研究中心,上海 200245;2.上海海事大学海洋科学与工程学院,上海 201306;3.上海宇航系统工程研究所,上海 201109)

 

作者简介:张崇印,博士,高级工程师,主要研究方向为高分子复合材料。

基金项目:中国博士后科学基金(2017M611757);上海市科技人才计划项目(19QB1402200);上海市科委“科技创新行动计划”地方院校能力建设项目(19040501800)。

声明:本文发表于《电镀与涂饰》期刊2019年第38卷第24期,已被中文核心期刊、中国科技核心期刊全文收录。

点击阅读原文,可下载PDF高清完整文档。


文章节选

2 结果与讨论

2. 1 表面接枝改性对氮化铝颗粒疏水性的影响

对氮化铝导热颗粒表面进行接枝改性能够提高其疏水性。从图2 可知,改性氮化铝颗粒几乎不溶于水,甚至因为其疏水性,多数都悬浮在水上面,而未改性氮化铝颗粒放入水中搅拌1 min 后,水变得浑浊。

 

静置24 h 后,改性氮化铝颗粒仍然悬浮在水面,水体清澈,几乎没有变化,可见其疏水性之强。而未改性氮化铝颗粒因自身的重力作用而大部分已沉于杯底,并且水体部分偏白,这是部分氮化铝颗粒吸水所致。这种吸水现象会导致制备的导热硅酯因吸水而发生性能改变,因此选择接枝改性的氮化铝颗粒作为填料。

(a) 搅拌1 min后

(b) 搅拌1 min + 静置24 h后

图2  改性(左)和未改性(右)氮化铝颗粒的疏水试验结果


2. 2     填料用量对导热硅酯复合材料导热性的影响

采用激光导热仪测得AlN填料添加量为200、300和400份时PMX-200/改性AlN复合材料的导热系数分别为1.02、1.28和1.50 W/(m·K),说明增大导热填料的用量能够提高导热硅脂的导热系数,并且都远远高于基体硅氧烷的导热系数[0.15 W/(m·K)],即导热硅酯的逾渗点远远高于基体硅氧烷。

 

这可以采用导热颗粒在硅氧烷体系中的分散模型来解释。导热颗粒含量低时(见图3a),导热颗粒均匀分散在硅氧烷基体中,很难形成连接通路,导热系数的增幅不大。导热颗粒达到一定量时(见图3b),导热颗粒在基体材料中会出现连续接触的现象,从而形成一个或者数个贯穿整个复合材料的导热通路,导热系数发生突变,而这个点就是逾渗点。

 

但达到逾渗点后若要继续快速提高复合材料的导热系数,就需要有更多导热通路,即导热颗粒之间的接触更多,通过提高导热颗粒的量即可实现(如图3c所示)。但导热颗粒在基体中的含量并不能无限增大,而是有一个限值,这与导热颗粒的尺寸、分散度、形状、表面情况等有关。

 

本文的目的是得到较高导热系数的导热硅酯材料,所以根据市售导热硅酯的填料含量和相关文献,使用了150份以上的导热颗粒,如此可令导热硅酯的导热系数直接达到逾渗点以上。另外,鉴于氮化铝含量为400份时体系的黏度太高,最终选择其用量为300份。

图3  导热颗粒在硅氧烷体系中的分散模型

注:图中阴影(黄色)代表基体,小球形颗粒代表填料。

 

2. 3     基体种类对导热硅酯复合材料导热性的影响

从图4可知,分别采用不同物质作为基体时导热硅脂的导热系数大小顺序为:Chic204羟基硅氧烷 < Chic55苯甲基硅氧烷 < PMX-200二甲基硅氧烷 < IOTA 255苯甲基硅氧烷。

 

可见,以苯甲基硅氧烷作为基体时导热硅酯的导热系数高于以羟基硅氧烷作为基体时,这可能是因为苯甲基硅氧烷基体中的苯环结构比羟基硅氧烷中的羟基结构更有利于导热声子的传播。

 

采用PMX-200二甲基硅氧烷作为基体时导热硅酯的导热系数低于用IOTA 255苯甲基硅氧烷时。由于PMX-200二甲基硅氧烷的价格远低于IOTA 255苯甲基硅氧烷,因此选择PMX-200二甲基硅氧烷为基体。

图4  采用不同硅氧烷作为基体时导热硅酯的导热系数

 

2. 4  采用最优配方制备的导热硅酯复合材料的性能

综上可知,导热硅酯的最优配方为100份PMX-200二甲基硅氧烷 + 300份改性氮化铝。采用扫描电镜观察该配方导热硅酯的形貌,结果如图5所示。

 

可见导热填料氮化铝呈不规则的方粒状,粒径小,与基体紧密结合,并均匀分布,无明显的团聚现象。此外,氮化铝的填充量较大,大量颗粒之间相互接触,从而形成导热通路,这种结构非常有利于导热硅酯导热系数的提高。

图5  导热硅酯复合材料的微观形貌

实验测得PMX-200/改性AlN复合导热硅酯的分油量为0.060%,蒸发量为0.665%。可见其分油量和蒸发量都很低,具有优越的耐温性能。

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