聚丙烯/氮化硼导热复合材料的制备、性能及热导率模型研究

摘要

导热高分子复合材料以其轻质、高热导率、易加工成型、耐化学腐蚀等优点在电气电子、换热器、航空航天等领域得到了广泛应用。填充导热填料可以提高复合材料热导率。六方氮化硼(h-BN)具有较好的化学稳定性、电绝缘性和优异的导热性能。本文在聚丙烯(PP)中填充h-BN，添加马来酸酊接枝聚丙烯(PP-g-ma)和聚多巴胺，制备出具有较高热导率的复合材料。
　　首先，以PP为基材、h-BN为填料，添加PP-g-ma，利用双螺杆挤出机制备导热复合材料。采用XRD、SEM表征材料的微观结构;同时对复合材料的力学性能和导热性能进行分析。结果表明，PP-g-ma有利于增加PP与h-BN的界面黏结，增强复合材料拉伸强度和断裂伸长率，显著提高其热导率。h-BN含量为25wt％时，添加PP-g-ma的复合材料热导率为0.512W/(m·K)，相对于只添加h-BN的复合材料和PP基材，热导率分别提高1.08和2.26倍。
　　其次，为改善h-BN与PP的相容性，在h-BN表面包裹一层聚多巴胺，通过π-π键作用对h-BN进行非共价修饰(f-BN)，通过SEM、TGA、FTIR及接触角实验进行表征。聚多巴胺中的邻苯二酚以及氨基会与PP-g-ma形成键合，显著提高填料与基材之间的界面缠结。PP/PP-g-ma/f-BN复合材料中填料分散最好，孔洞、声子散射最少，热导率最高。PP/f-BN复合材料孔洞最多、存在一定团聚现象，导热通道中断较多。当填料含量为25wt％、添加2.5wt％ PP-g-ma时，PP/PP-g-ma/f-BN复合材料热导率为0.576W/(m·K)，相对于PP热导率提高了2.59倍。
　　最后，为定量分析热导率影响因素，根据复合材料的微观结构，建立单胞。利用热阻的方法，考虑填料各向异性热导率，推导出含有片状填料的复合材料等效热导率计算公式。将单胞模型结果与经典模型及实验结果进行比较，发现单胞模型计算结果与实验结果吻合较好。根据单胞模型，当片状填料沿特定方向排列时，可以显著提高复合材料在该方向上的热导率。以上模型结果可以为提高复合材料热导率提供参考和指引。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．2．2 发光二极管系统

1．2．3 换热器领域

1．2．4 电机领域

1．3 高分子材料热导率

1．3．1 高分子材料导热机理

1．3．2 高分子材料热导率影响因素

1．4 导热复合材料的制备

1．4．1 本征型导热复合材料

1．4．2 填充型导热复合材料

1．5 高分子物性的计算模型

1．5．1 热导率模型

1．5．2 热膨胀系数模型

1．5．3 介电常数模型

1．6 导热复合材料研究的主要问题

第2章 PP／h-BN复合材料的制备及性能研究

2．1 引言

2．2 实验材料和方法

2．2．1 复合材料的制备

2．2．2 测试仪器与方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 热导率结果

2．3．2 微观结构

2．3．3 XRD分析

2．3．4 力学性能分析

2．4 本章小结

第3章 PP／f-BN复合材料的制备及性能研究

3．1 引言

3．2 复合材料的制备

3．3 结果与讨论

3．3．1 f-BN表征

3．3．2 微观结构

3．3．3 密度分析

3．3．4 热导率分析

3．3．5 力学性能

3．4 本章小结

4．1 引言

4．2 导热模型

4．2．1 单胞选取

4．2．2 经典模型

4．2．3 模型验证及结果比较

4．2．4 模型参数对热导率的影响

4．2．5 提高热导率的方法

4．3 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢