环氧/氰酸酯树脂基绝缘导热复合材料的制备与性能研究

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传统的聚合物基复合材料,因为具备多种优良的性能,在科学与工业领域得到了广泛的应用。而在聚合物复合材料中填充不同类型的导热填料,可以有效提升其导热性能,使其满足更严苛的工业要求和更先进的工业生产。本文以六方氮化硼(h-BN)、酸化碳纳米管(MCNTs)为填料,以氰酸酯(CE)和环氧树脂(EP)共聚物为基体树脂,通过熔融预聚和高温固化的方法制备复合材料。同时,我们还进一步探讨了固化温度、CE/EP的质量比、h-BN填充量以及h-BN/CNTs复合填料的填充量对复合材料的耐热性、动态力学行为、导热性能、介电性能、微观形貌等多方面的影响,得到如下结论:(1)以咪唑为催化剂的CE和EP固化过程中,当CE/EP的比例为5/5时,EP可以迅速开环与CE发生聚合反应,固化反应所需的活化能降低,反应更易发生。h-BN、MCNTs作为无机填料,本身对固化反应没有催化作用,但是h-BN表面附着的一定量的活性基团和MCNTs表面结合的羧基、羟基等极性基团,对反应的进行起着明显的催化作用。(2)当h-BN被大量引入体系中时,会阻碍CE/EP固化反应的进行,降低交联密度,进而导致所得复合材料储能模量的下降以及玻璃化温度(Tg)的降低。而将h-BN的含量降低至40wt%,再引入0.3wt%0.4wt%的MCNTs时,复合材料的储能模量明显增加,玻璃化温度(Tg)也随之上升。(3)CE/EP-5/5固化物的低频介电常数最高,稳定在4.05左右,且并未随频率的变化而发生大幅改变。随着h-BN的增加,复合材料的介电常数和介电损耗也随之升高。而添加MCNTs后,复合材料内部产生大量感应电荷,复合材料的介电常数随之增大,介电损耗随之减小。但在100Hz下,CE/EP/h-BN/MCNTs复合材料的体积电阻率均大于109Ω·cm-1,说明该复合材料具有着优异的绝缘特性。(2)当体系中只有h-BN一种导热填料时,h-BN的填充量越高,复合材料的热导率越高,当h-BN的含量为50wt%时,热导率达到了0.689W/mK。而当体系中加入h-BN/MCNTs二元复合填料时,保持h-BN含量不变,MCNTs的含量越高,复合材料的热导率也越高。当MCNTs的含量为0.5wt%时,复合材料的热导率达到0.75W/mK。Agari模型计算出的数据显示,与h-BN相比,MCNTs在树脂基体中具备更优秀地形成导热通路的能力。(5)CE/EP聚合物的热分解温度基本都在340oC以上,具有良好的热稳定性。随着h-BN含量的增加,最终聚合物的热稳定性在一定程度上有所提高,残炭率有所下降,但最终的热分解温度变化不大,基本稳定在340oC以上。但随着MCNTs的加入和含量的增加,聚合物的分解温度大幅提高,几乎都超过375oC,具有更好的热稳定性。
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