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随着科技的快速发展,聚合物基功能复合材料的应用越来越广泛,如何制备性能优异的高分子复合材料成为研究的热点。聚合物基导电/导热复合材料是将导电/导热填料填充在聚合物基体中所制备的,能够应用于很多的电子电器产品中。为了达到所需要的导电或导热性能,通常需要添加较高含量的填料,这不仅增加复合材料加工成型的难度,同时还会损害材料的力学性能。大多数的导电或导热填料都是刚性粒子,它的加入会大大降低复合材料的韧性,使材料变得很脆。因此,如何降低复合材料的填料含量且保持优异的导电/导热性能成为一个迫切需要解决的问题。本论文主要的研究内容如下:
1、以尼龙12(PA12)为基体、碳纳米管(MWNTs)为导电填料制备了PA12/MWNT导电纳米复合材料,研究了两相复合材料的电学、动态力学和热稳定性能。结果表明,MWNTs的加入极大的提高了复合材料的导电性能,两相复合材料的渗流阈值为1.45 wt%,同时复合材料的储能模量和热降解温度也随着MWNTs含量的增加而提高。为了进一步提高复合材料的导电性能,加入第二相聚合物马来酸酐接枝乙烯辛烯共聚物(POE-g-MA)制备了PA12/MWNT/POE-g-MA三相复合材料,体系的导电渗流阈值降低至0.63 wt%。同时还研究了碳纳米管含量不同时,PA12、MWNTs、 POE-g-MA三种组分的加工顺序对复合材料导电性能的影响,当MWNTs含量为2 wt%时,体系导电网络较不完善,加工顺序的改变对材料的导电性影响较大;当MWNTs含量增加至4 wt%时,体系中导电网络形成比较完善,加工顺序不太影响复合材料的导电性能。
2、首先采用高温热还原法制备了石墨烯,通过红外、TEM和XRD结果发现,我们制备了剥离效果非常好的石墨烯。将石墨烯加入PA12中制备了PA12/石墨烯导电纳米复合材料,石墨烯在PA12中分散非常均匀,能够有效的提高复合材料的电导率,PA12/石墨烯两相纳米复合材料的渗流阈值仅为0.3 vol%,同时也提高了复合材料的动态力学性能和热稳定性能。当加入第二相聚合物POE-g-MA后,改变三种组分的加工顺序,能够进一步提高复合材料的导电性能。从SEM和TEM照片上看,石墨烯在两相聚合物中的分布情况随着加工顺序发生变化,当PA12与石墨烯先共混后再与POE-g-MA共混时,石墨烯分散在PA12基体中,此时复合材料的储能模量和导电性能最高。
3、采用简单的溶液共混制备了高导热酚醛树脂复合材料,首先研究了石墨粒径的大小对复合材料热导率与电导率的影响,发现粒径越大复合材料的热导率与电导率越高。同时对比了复合材料的垂直热导率与水平热导率,随着石墨含量的增加,水平热导率与垂直热导率差别越来越大,说明石墨面内方向的热导率比层间热导率要大。随后添加了少量的碳纤维、p-MWNT和f-MWNT,发现它们与石墨之间有很好的协同效果,进一步地提高了复合材料的热导率和弯曲性能。但是,碳管在高含量下损害了复合材料的热导率和弯曲性能,从SEM图片可知,碳管在高含量下容易团聚而碳纤维却不会。
4、以环氧树脂(EP)为基体、氮化铝(AlN)为填料制备了环氧/AlN绝缘导热复合材料,首先研究了氮化铝的粒径对复合材料热导率的影响,通过对比A10、A45和A106三种粒径的氮化铝发现,EP/A10复合材料的导热效果最差,而EP/A106与EP/A45复合材料的导热效果差不多,说明在一定范围内氮化铝粒径越大,复合材料导热性能越好,当粒径达到一定值时,其对复合材料导热性能影响不大,与理论计算结果一致。其次研究了不同长径比的填料之间对复合材料热导率的协同效果,将氧化铝纤维与A10氮化铝夹杂使用对复合材料的热导率没有起到正面的协同作用,而A45与A10氮化铝、A106与A10氮化铝之间有较好的协同效果。最后研究了KH550改性氮化铝对复合材料导热性能的影响,发现KH550改性不仅提高了复合材料的热导率,还提高了复合材料的绝缘性能。