环氧树脂/氧化铝导热复合材料的结构设计和制备

编辑/作者:管理员  发布时间:2010-9-13  字号:

                                                              王聪
                                       (西北工业大学网络与教育技术中心,西安710072)
    摘要:采用浇注成型制备环氧树脂/氧化铝(EP/Al2O3)导热复合材料。研究了Al2O3用量和偶联剂处理对复合材料导热性能和力学性能影响。结果表明,复合材料的导热系数随Al2O3用量的增加而增加,当Al2O3质量分数为50%时,复合材料的导热系数达到0.68 W/(m·K);弯曲强度和冲击强度则随Al2O3用量的增加先增加后降低,当Al2O3质量分数为5%时,复合材料力学性能达到最佳,表面改性使复合材料导热性能和力学性能得到进一步提高。复合材料导热率的实验结果与Maxwell_Eucken模型较吻合,但Maxwell_Eucken模型只适用于低填充情况。
    关键词:环氧树脂;氧化铝;导热;表面改性
    中图分类号:TM215;TM201.4
    文献标志码:A
    文章编号:1009-9239(2010)01-0052-04
    1·前言
    环氧树脂具有优异的粘接性、力学性能、电绝缘性、化学稳定性、成型加工容易、应力传递性较好和成本低廉等优点,在航空航天、电子电气等领域得到广泛应用[1-4]。随着电子元器件逐渐向小型化、集成化、多功能化方向发展,对电子元器件材料的导热性能提出了较高要求[5-9]。氧化镁(MgO)、三氧化二铝(Al2O3)、氮化硅(Si3N4)、氮化铝(AlN)和碳化硅(SiC)等填料具有较高的导热系数[10],用其对环氧树脂进行填充改性可以获得绝缘性好的环氧树脂复合材料。
    采用钛酸酯偶联剂NDZ-201和硅烷偶联剂KH-560对导热填料Al2O3进行表面改性处理,用浇注法制备EP/Al2O3导热复合材料。研究Al2O3用量和偶联剂处理对复合材料力学性能和导热性能的影响;初步探讨了EP/Al2O3复合材料的热导率计算模型,为提高EP/Al2O3导热复合材料的导热性能提供了基本的理论依据。
    2·实验
    2.1主要原料
    环氧树脂E-51,蓝星新材料无锡树脂厂; 2-乙基-4-甲基咪唑,西安汉港化工有限公司; N-N-二甲基苄胺,盐城市城南有机化工厂;氧化铝,导热系数32 W/(m·K),佛山华雅超细粉体有限公司;钛酸酯偶联剂(NDZ-201)、硅烷偶联剂(KH-560),南京曙光化工集团有限公司;丙酮,天津市百世化工有限公司。
    2.2 EP/Al2O3导热复合材料的制备
    取一定量Al2O3放置烧杯于60℃恒温水浴中,加入适量的NDZ-201或KH-560,反应80 min后抽滤、烘干、粉碎得到样品。将一定配比的EP、2-乙基-4-甲基咪唑和N-N-二甲基苄胺搅拌20 min后超声处理10 min。加入不同质量分数的改性Al2O3颗粒,机械搅拌均匀,再在60℃真空条件下脱气泡20 min,按70℃/1 h+80℃/4 h工艺固化,在120℃下后处理2 h,随模具或烘箱自然冷却。
    2.3分析测试与表征
    采用瑞士AB公司生产的Hot-Disk型热常数分析仪对材料的导热系数进行测试;弯曲强度和冲击强度测试分别按GB/T 22570-1995和GB/T2571-1995执行。
    3·结果与讨论
    3.1 EP/Al2O3导热复合材料的结构设计
    为了提高Al2O3填充环氧树脂导热效果,对EP/Al2O3导热复合材料进行结构设计:Al2O3在环氧树脂基体中存紧密堆积排布,每个Al2O3颗粒表面包覆一层极薄的环氧树脂,使Al2O3相互之间实现最有效的导热网链桥接或联接,同时依靠环氧树脂薄层的固化实现Al2O3颗粒相互之间的粘接。在成型过程中,尽可能使Al2O3相互间形成的空间或空隙减到最小,以提高Al2O3的固含量。
    3.2 Al2O3用量对EP/Al2O3复合材料导热性能的影响
    Al2O3用量对EP/Al2O3复合材料的导热性能的影响如图1所示。由图1可以看出,环氧树脂复合材料的导热系数随Al2O3的增加而缓慢增加,当Al2O3用量达到40%,复合材料的导热系数骤然升高。该过程开始因少量的Al2O3被环氧树脂隔离,彼此间未能形成相互接触,导热性提高不大;随Al2O3用量的增加, Al2O3在环氧树脂中形成导热网链几率增加,当Al2O3用量达到40%,即Al2O3用量超过逾渗值,使导热系数大幅度提高。当Al2O3用量为50%,复合材料的导热系数为0.68 W/(m·K)。
                 
    3.3偶联剂处理对EP/Al2O3复合材料导热性能的影响
    采用不同偶联剂处理Al2O3,其表面特性会影响EP和Al2O3界面的热障,同时影响Al2O3在环氧树脂基体中的均匀分散和Al2O3的加入量。图2为偶联剂处理Al2O3对复合材料导热性能的影响。
                 
    从图2可知,采用KH-560处理Al2O3使复合材料的导热系数稍微增加,而用NDZ-201处理Al2O3则使复合材料的导热系数稍微降低。这是因为Al2O3经KH-560处理后,浸润吸附性能提高改善了与KH-560之间的界面亲和性;此外KH-560上的烷氧基可与环氧树脂进行反应,相容性得到进一步提高,界面热阻降低,从而提高材料的导热性能。NDZ-201处理虽然也改变Al2O3的表面特性,但与环氧树脂的相容性远不如KH-560,同时NDZ-201对Al2O3的包覆使Al2O3自身导热性能降低,使复合材料导热系数降低,所以寻找合适的偶联剂和改性方法改善Al2O3与环氧树脂基体界面是提高体系导热性的一个重要途径。
    3.4 Al2O3用量和偶联剂处理对EP/Al2O3复合材料力学性能的影响
    图3(a)、(b)分别为Al2O3用量对EP/Al2O3复合材料弯曲强度和冲击强度影响的关系曲线。
                  
    从图3可知,随着Al2O3用量的增加,复合材料的弯曲强度和冲击强度先增加后降低。当Al2O3质量分数为5%时,复合材料力学性能达到最佳;经KH-560处理后,材料的力学性能得到进一步改善。这是因为Al2O3的加入弥补环氧树脂自固化时的微缺陷,有效传递应力,阻止裂纹扩展,弯曲强度和冲击强度得到改善。而过多Al2O3的加入使环氧树脂的粘度增加,易产生气泡和应力集中,甚至破坏氧树脂基体的连续结构,使力学性能大幅度下降。经KH-560处理后,提升了Al2O3与环氧树脂基体界面粘接强度,进一步提高了相容性,改善了在环氧树脂中的分散性,提高了材料的弯曲强度和冲击强度。
    3.5 EP/Al2O3导热复合材料的导热模型拟合
    许多热传导经验和理论模型能用来预测复合材料的热导率[11 -19 ]。把实验所得导热系数用Maxwell-Eucken模型进行拟合,结果见图4。
               
    从图4可以看出,当Al2O3体积分数较低时(小于15%),实验数据与Maxwell方程的理论曲线较为一致,主要是Al2O3以颗粒状随机分布在环氧树脂基体中,随着Al2O3用量的增加(大于15%),实验数据与理论曲线的差异很大。这是因为Maxwell方程没有考虑粒子间的相互作用,即在高填充情况下,Al2O3可能在环氧树脂基体中形成导通网络。因此,Maxwell-Eucken方程并不适合高填充情况,该模型方程还有待进一步改进。
    4·结论
    EP/Al2O3复合材料的导热性能随Al2O3用量的增加而增加,当Al2O3的质量分数为50%时,复合材料的导热系数为0.68W/(m·K);复合材料的弯曲强度和冲击强度随Al2O3用量的增加先增加后降低,当Al2O3的质量分数为5%时,复合材料的力学性能最佳。表面改性使材料的导热性能和力学性能得到进一步改善。Maxwell-EucKen模型只适合于低填充情况,对于高填充情况,使用该公式误差较大,需要进一步改进。
    参考文献:略