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高导热绝缘环氧树脂基复合材料的研究

作　者: 冯乾军
导　师: 姜力强；乔梁
学　校: 浙江工业大学
专　业: 材料学
关键词: EP Al 绝缘热导率纳米钻石导热机制
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

通过搅拌混合的工艺制备了Al₂O₃/EP复合材料,研究了Al₂O₃的尺寸含量对复合材料热导率的影响。结果表明,片状Al₂O₃在低填充量时对复合材料的热导率有较好的贡献,但随着填充量的继续增加优势逐渐降低,且复合材料的流动性也更差。少量片状Al₂O₃在基体里更容易形成连续相,粒子间的尖端效应容易形成热流通路,从而在热导率的贡献上有一定的优势。系通流动性变差的机理是弥散分布的片状Al₂O₃小颗粒为EP基体的流动造成了较大的剪切变形位阻。所以片状材料尽管在热导率贡献上有相对较好的表现,但却不能制得较大体积百分含量的导热复合材料。本文以不同颗粒尺寸的球形铝粉和钻石粉作为填料,采用共混方法制备出环氧树脂基复合材料。采用稳态导热法测量复合材料的热导率。采用XRD、SEM和DSC研究复合材料的相组成、微观形貌以及复合过程中发生的变化。同时,研究了复合材料热导率随填料体积分数的变化规律。研究结果表明,当采用2?m和5?m的球形铝粉作为填料时,复合材料的热导率随填料体积分数的增加而增加,在某一填充体积分数下,复合材料的热导率发生突然的变化。然而,当采用100nm和200nm的钻石粉作为填料时,复合材料热导率随填料体积分数增加没有明显的突变,表现为连续稳定的上升。通过研究环氧树脂在共混过程中的结晶现象,表明,在复合材料中并未出现明显的析晶过程来引起热导率的突然上升。填料颗粒之间聚合物分子链的热振动成为影响复合材料热导率发生突变的关键因素。当填料颗粒体积分数增加,颗粒之间聚合物层的减薄效应会对复合材料热导率产生重要影响。通过估算环氧树脂分子链的长度以及不同体积分数下填料颗粒之间的距离,提出了一种新的机制来解释热导率发生突变的规律,这种机制为:当填料体积分数大到某一临界点,使得填料颗粒之间聚合物层的厚度变薄,以至于热流传导发生在单一环氧树脂分子链之间时,将引起复合材料热导率发生突然增加。填料与聚合物层的界面热阻也对复合材料的热导率发生重要影响,当填料尺寸小到纳米尺度时,颗粒越细,界面热阻影响越显著,因此,大颗粒在较高填充量下容易形成较高的热导率,而小颗粒在较低的填充量下热导率更高。纳米钻石填充的环氧树脂复合材料中发现了单分子直链导热通道的存在,很好的解释了纳米钻石填充环氧树脂制得的导热复合材料的热导率变化规律。同时,研究发现:减薄效应和单分子直链导热通道理论在研究复合材料热导率时都着眼于粒子间的距离,本质上是相同的,减薄效应实质上是单分子直链导热通道形成的宏观表现。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章文献综述  12-39
  1.1 物质微观导热机理  14-15
    1.1.1 气体导热  14-15
  1.2 液体导热性能  15-22
  1.3 高分子导热模型  22-30
    1.3.1 粒子填充高分子导热模型  23-27
    1.3.2 纤维填料模型  27-28
    1.3.3 片状填料预测模型  28-29
    1.3.4 其他预测模型  29-30
  1.4 热导率及其测试方法研究进展  30-33
    1.4.1 稳态测试法  31-32
    1.4.2 非稳态法  32-33
  1.5 填充型聚合物基导热材料的应用现状  33-37
    1.5.1 导热绝缘塑料  33-34
    1.5.2 导热绝缘橡胶  34-35
    1.5.3 导热绝缘胶粘剂研究  35-36
    1.5.4 导热绝缘聚合物复合涂层  36-37
  1.6 前景展望  37
  1.7 本课题的研究内容及创新点  37-39
第二章实验设备及方法  39-43
  2.1 实验原料及仪器设备  39
    2.1.1 实验原料  39
    2.1.2 实验仪器  39
  2.2 材料制备流程  39-42
    2.2.1 表面处理  40-41
    2.2.2 混合搅拌  41
    2.2.3 压制成型  41-42
  2.3 性能测试实验方法  42-43
    2.3.1 导热系数  42
    2.3.2 电阻率测试  42
    2.3.3 差示扫描量热分析  42
    2.3.4 断口形貌观察  42-43
第三章 EP 基复合材料体系固化剂的选择  43-46
  3.1 固化剂含量的确定  43-44
  3.2 固化温度和固化时间的选择  44
  3.3 分析与讨论  44-45
  3.4 本章小结  45-46
第四章 Al_2O_3填料对复合材料导热性能的影响  46-52
  4.1 实验过程  46-47
  4.2 A1_2O_3形貌对复合材料导热性能的影响  47-49
  4.3 分析与讨论  49-50
  4.4 本章小结  50-52
第五章铝对Al/EP 复合材料热导率的影响  52-63
  5.1 实验过程  52-53
  5.2 Al 的尺寸及含量对复合材料热导率的影响  53-54
  5.3 分析与讨论  54-61
    5.3.1 减薄效应的提出  54-57
    5.3.2 导热机理的定性解释  57-60
    5.3.3 导热机理的定量描述  60-61
  5.4 本章小结  61-63
第六章减薄效应的微观机理探究  63-69
  6.1 实验过程  63-64
  6.2 纳米钻石的尺寸及含量对复合材料热导率的影响  64-65
  6.3 分析与讨论  65-68
  6.4 本章小节  68-69
第七章复合材料电阻率性能研究  69-72
  7.1 实验过程  69
  7.2 Al 的填充量对 Al/EP 复合材料电阻率的影响  69-71
  7.3 A1_2O_3填充量对复合材料电阻率的影响  71
  7.4 本章小节  71-72
第八章结论和展望  72-74
参考文献  74-80
读研期间已发表或录用的论文  80-81
致谢  81

高导热绝缘环氧树脂基复合材料的研究

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