高导热石墨膜用聚酰亚胺薄膜的制备与性能研究

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新型3C电子产品、5G高频商业基站的投入和动力电池的飞速发展等对导热材料提出了更高的要求。铜、银等传统的金属材料由于高密度、脆性限制了其在柔性电子元器件中的使用。具有共轭碳双键平面结构的石墨膜则被认为是理想的热管理材料。制备石墨膜最主要的前驱体材料是聚酰亚胺(PI)薄膜。国内目前主要是采用热亚胺化法制备的电工级聚酰亚胺薄膜,其线膨胀系数、热稳定性和力学性能等方面还有待进一步提高,无法应用于航空航天、电器绝缘、精密仪器等高精尖领域。此外,采用国产化的聚酰亚胺薄膜制备的石墨膜在外观上有很多瑕疵和缺陷,热导率亦不足,严重制约了其在发热元器件上的使用。制备高端的柔性高导热石墨膜的原材料(PI膜)基本上依赖进口。本论文致力于制备高性能聚酰亚胺薄膜和柔性优良的导热石墨膜。论文采用化学亚胺化法制备高性能聚酰亚胺薄膜,重点研究脱水剂含量、催化剂用量和对苯二胺(PDA)与4,4’-二氨基二苯醚(ODA)的摩尔比对聚酰胺酸膜亚胺化转变程度、聚酰亚胺薄膜力学性能和聚集态结构的影响。在此基础上,首次提出引入发泡剂氮化硼来改变石墨膜结构,从而实现高导热石墨膜柔性的提升,系统讨论氮化硼形貌、粒径和含量对聚酰亚胺基石墨膜的影响。此后,阐述氮化硼对石墨膜柔性提高的机理,并揭示了氮化硼含量对热导率的影响规律。最后,将自制的石墨膜与国内外研究的石墨膜的热导率进行对照。本文的主要结论如下:(1)高质量的聚酰亚胺薄膜可用化学亚胺化法来制备。采用化学亚胺化法(摩尔比聚酰胺酸(PAA):乙酸酐(AA):催化剂(CA)=1:2:0.4)制备的聚酰亚胺薄膜的分子链有序性、结晶性得到了极大地改善,力学性能也显著提高,抗拉强度从110.05MPa提升至205.43 MPa,提升了近86.7%,薄膜的断裂伸长率从55.3%提升至95.2%。从能耗考量,化学法PI薄膜的制备时间从热亚胺化的4~5 h缩短至41min,且在高温区的时间很短,节约能耗,降低成本。(2)在此基础上,探讨PDA与ODA摩尔比对PI膜综合性的影响。研究发现,PDA比例增加,PI薄膜热稳定性更好,热失重5 wt.%的温度从570.70℃升高至578.02℃,而热失重10 wt.%的温度从582.84℃升高至593.05℃。薄膜碳化时残碳量先减少后增加,但均在55%以上。其次,PDA含量越高,分子链的刚性越强,PI膜的面内取向度和结晶性更好,PI膜的抗拉强度增强,但断裂伸长率降低。当PDA/ODA=2:8时,聚酰亚胺薄膜综合性能最佳,其抗拉强度为205.43 MPa,断裂伸长率为95.2%。(3)微量氮化硼的添加,改变了聚酰亚胺基石墨膜的结构,有效提升了石墨膜的柔韧性。纯PI衍生的石墨膜表面呈亮色的金属光泽且脆性较大,而添加微量氮化硼后,石墨膜微观下呈现出均匀的“发泡”结构,柔韧性也得到显著改善。对氮化硼的形貌和粒径进行研究发现,与氮化硼纳米片和0.7μm氮化硼粉末衍生的石墨膜相比,掺杂1.5μm氮化硼粉末的BN/PI复合膜衍生的石墨膜表面更细腻、发泡较小且分布均匀,电阻率更低,仅为7.2 mΩ·cm。(4)对氮化硼(h-BN)掺杂量进行研究发现,随着h-BN含量的增加,压延石墨膜的结晶度、石墨化程度和导热系数稍有降低,但石墨膜可反复弯折而不产生宏观裂纹,柔韧性得到极大改善,所得的石墨膜具有综合的性能。含有0.06 wt.%h-BN的h-BN/PI衍生石墨膜表现出最佳的综合性能,具有较高的石墨化度(91%)、较大的热扩散率(818 mm~2/s)和优异的热导率(1522 W·m-1·K-1)以及出色的柔韧性。自制石墨膜的综合性能均优于文献报导值。
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