【摘 要】
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发展六方氮化硼（h-BN）/聚合物复合材料的高导热特性,需要在该复合材料内构建由h-BN导热粒子组成的高效热传输通道,同时该复合材料又需要具有满足符合实际应用的热学、力学、介电等特性。构建高效热传输通道的最有效方法,是在复合体系内实现h-BN导热粒子的高量填充,从而在h-BN/聚合物复合体系内实现h-BN粒子的高密度连接通道,以此达到有效提高复合材料热导率的目标。然而,h-BN的高填充通常在h-B
【基金项目】
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国家自然科学基金（51802073）； 河北省自然科学基金（E2020202145）； 河北省第八批“百人计划”（E2018050008）；
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发展六方氮化硼（h-BN）/聚合物复合材料的高导热特性,需要在该复合材料内构建由h-BN导热粒子组成的高效热传输通道,同时该复合材料又需要具有满足符合实际应用的热学、力学、介电等特性。构建高效热传输通道的最有效方法,是在复合体系内实现h-BN导热粒子的高量填充,从而在h-BN/聚合物复合体系内实现h-BN粒子的高密度连接通道,以此达到有效提高复合材料热导率的目标。然而,h-BN的高填充通常在h-BN/聚合物复合体系内形成严重的团聚现象,将极大削弱h-BN/聚合物复合材料的力学性能,这些团聚结构同时诱发h-BN/聚合物的热膨胀不均性和介电损耗增大。因此,在聚合物复合材料内实现高密度h-BN导热粒子均匀的填充,获得高导热且具有优异热学、力学、介电等特性的h-BN/聚合物复合材料,具有一定挑战性。本工作利用具有超高导热能力的六方氮化硼纳米片（BNNSs）作为主要填充粒子,借助机械-球磨预反应方法实现环氧树脂（EP）分子对BNNSs的均匀包覆,通过模压技术将混合料成型为具有高致密的BNNSs/EP块体前驱体,进一步高温固化为具有优异热学、力学和介电性能的高导热型BNNSs/EP复合体系。本论文的主要研究内容如下:（1）利用具有层状结构和润滑特性的硼酸作为机械剥离辅助试剂,将商业h-BN剥离为具有超薄结构的BNNSs,同时对BNNSs进行了有效功能化改性。利用机械-球磨预反应方法结合模压成型技术,使BNNSs在EP聚合物复合材料内的填充量达到了65～95 wt.%。由于BNNSs和EP之间的强键合作用以及BNNSs的较高分散性,使得BNNSs/EP复合材料不但具有较高的热导率,而且展现出优异的热膨胀性能、热稳定性能、机械稳定性和介电性能。研究结果表明:BNNSs/EP的平面内和平面外最高热导率分别为6.7和2.8 W m-1K-1,是纯EP的27和12倍;其压缩强度达到较高的30～97 MPa范围;保持了较低的线性热膨胀系数,最低值约为4.5 ppm/℃,是纯EP的5%;其在12～40 GHz频率范围内的介电常数始终保持在3.2～4之间,且其介电损耗角正切值小于0.2;同时BNNSs/EP复合材料展现优异的冷/热循环散热能力和稳定性。（2）利用纤维素（CNF）非共价功能化修饰的BNNSs作为导热填充粒子,借助与以上相同的机械-球磨预反应方法结合模压成型技术,使均匀分散的CNF-BNNSs在EP聚合物复合材料内的填充量达到了65～95wt.%。具有高长径比的CNF将复合材料内不同叠层和同一叠层的BNNSs进行桥接,构建三维高效热传输通道,同时增强了BNNSs和EP之间的键合作用以及BNNSs分散性,使得CNF-BNNSs/EP复合材料具有显著提高的三维热导率,且展现出优异的热稳定性能、机械稳定性和介电性能。研究结果表明:CNF-BNNSs/EP复合材料在平面内和平面外方向上的最高热导率分别为9.4和4.2 W m-1K-1,较相同填充量的BNNSs/EP分别提高了58.1%和49.9%;90CNF-BNNSs/EP的压缩强度和模量分别为60 MPa和1.79 GPa,分别是90BNNSs/EP的1.9和1.3倍;CNF-BNNSs/EP的线性热膨胀系数最低值仅约2 ppm/℃,是BNNSs/EP复合材料的44%;其在12～40 GHz频率范围内的介电常数始终保持在3.6～4.6之间,且其介电损耗角正切值小于0.28;同时CNF-BNNSs/EP复合材料表现出比BNNSs/EP更加优异的冷/热循环散热能力和稳定性,预示其具有较好的热管理应用潜质。
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