短切碳纤维AlN环氧树脂绝缘导热复合材料性能研究.pdf

徐任信等：短切碳纤维 A l N 环氧树脂绝缘导热复合材 堂 窒 3 3 材料2 0 0 8，4 1(3 短切碳纤维 AI N 环氧树脂绝缘导热 复合材料性能研究 徐任信，单云刚，鲁学林，王 钧(武汉理工大学 材料科学与工程学院，武汉4 3 0 0 7 0)摘要：通过浇注工艺制备 了短切碳纤维 A1 N 环氧树脂复合材料，研究了复合材料热、电和力学性能。结果表明，复合材料的热导率、介 电常数、弯曲强度和模量随短切碳纤维含量增加而上升，其电阻率则下降。当短切碳纤维体 积含量 由 0 变化到 1 8 时，复合材料的热导率 由 1 1 4 W m。K 提高到 1 4 5 W m一 1 K ；弯 曲强度和模量 分别提高了 1 4 和 1 3；而体积 电阻率和表面电阻率分别 由 2 6 9 1 0”Q m 和 2 0 9 1 0”Q降到 6 1 6 1 0 Q m和 2 9 5 1 0 m Q。复合材料 的热膨胀系数随碳纤维含量变化不大。关键词：绝缘材料；导热复合材料；短切碳纤维；热导率；电阻率 中图分类号：T Q3 2 5 4；T M2 1 5 1 3 文献标志码：A 文章编号：1 0 0 9 9 2 3 9(2 0 0 8)0 3 0 0 3 3 0 4 S t u dy o n Pr o pe r t i e s o f I ns ul a t i ng and The r m a l-c o ndu c t i ng S ho r t Ca r bo n Fi be r AI N Epo x y Com po s i t e XU Re n x i n，S HAN Y u n g a n g，LU Xu e l i n，WA NG J u n (S c h o o l o f Ma t e r i a l S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g，Wu h a n Un i v e r s i t y of T e c h n o l o g y，Wu h a n 4 3 0 0 7 0，C h i n a)Ab s t r a c t：Sh o r t c a r b o n f i b e r A1 N e p o x y c o mp o s i t e s we r e p r e p a r e d b y c a s t i ng me t ho d The t he r ma l，e l e c t r i c a l a nd me c h a ni c a l p r o p e r t i e s o f t h e c omp o s i t e s we r e s t u d i e d Th e r e s u l t s s ho w t h a t，t h e t h e r ma l c o n d u c t i v i t y，t h e d i e l e c t r i c c o ns t a nt，t he di e l e c t r i c l o s s，t h e f l e xu r a l s t r e ng t h a n d mo du l u s o f t h e c o mp o s i t e i nc r e a s e wi t h t he v o l u me f r a c t i o n o f s h o r t c a r b o n f i b e r，whi l e t h e r e s i s t i v i t y d e c r e a s e s Th e t h e r ma l c o n d u c t i vi t y o f t h e c o mp o s i t e i nc r e a s e s f r o m 1 1 4 Wm 一 K 一 t o 1 4 5 W m 一 K 一 a s t h e v o 1 ume f r a c t i o n o f s ho r t c a r b o n v a r i a t i o n f r o m 0 t o 1 8 The e nh a n c e me n t o f f l e x u r a l s t r e ng t h a n d mo du l u s a r e u p t o 1 4 a n d 1 3，r e s p e c t i ve l y The b u l k r e s i s t i v i t y o f t he c omp o s i t e d e c r e a s e s f r o m 2 6 9 1 0 。Q m t o 6 1 6 1 0 Q m a n d t h e s u r f a c e r e s i s t i v i t y f r om 2 0 9 1 0培 t o 2 9 5 1 0加 Th e t he r ma l e xp a ns i o n c o e f f i c i e nt o f t h e c omp o s i t e v a r i e s l i t t l e whi l e t he c o nt e nt o f c a r b o n f i b e r c h a n g e s Ke y wo r ds：i ns u l a t i ng ma t e r i a l；t h e r ma l c o nd u c t i n g c o mp o s i t e；s ho r t c a r b on f i b e r；t he r ma l c o n d u c t i vi t y；r e s i s t i v i t y 1 前言 随着电子、信息工业和科学技术 的发展，要求封 装材料既满足导热要求、又满足绝缘要求，同时也要 求具有力学、耐化学及环保性能。金属材料具有高的 热导率，但不绝缘，同时耐化学腐蚀性能差；高分子材 料绝缘性能和耐化学腐蚀性 能好，但热导率很低；因 此这两种材料都无法满足特殊领域对导热材料的要 收稿日期：2 0 0 8一O 2 1 7 基金项 目：湖j E 省 自然科学基金(2 0 0 7 AB A0 2 8)作者简介：徐任信(1 9 7 3 一)，男，湖北省通山县人，讲师，博士，从事 功 能复合材料结构与物理效应的研究，(电话)1 3 3 1 7 1 8 1 6 1 1(电子 信 箱)x u r e n x n 2 0 0 5 1 6 3 c o rn。求。将高导热的金属或无机填料(Al N、S i C、B e O、Al 3、Ni 0、C a O、B N、B4 C 5 等)填充到聚合物 中，通 过热压或浇注工艺，可以得到高导热、高绝缘的复合 材料体系 u 】。然而，由于无机填料的导热主要是靠 晶格声子振动来完成】，要使复合材料达到高的热导 率，就应增大颗粒间的接触，使导热颗粒在复合材料 体系中形成导热通道。复合材料导热通道的增加可以 通过两种方式来实现。一是增加填料的体积含量，或 将不同粒径的填料进行 匹配，以增加材料中颗粒的接 触。该方法的不足是复合材料 中高的填料含量使材料 的力学性能、耐湿热性能和成型工艺性能降低。二是 通过改变导热填料的形态，如用纤维状填料代替颗粒 维普资讯 http:/ 塑 徐任 信等：短 切碳 纤维 A lN 环氧树 脂绝缘导热复合材料性能研究 状填料，方便导热通道的形成。这种方法的不足是 复合材料中的填料分散不均匀，难以提高填料的体积 含量，同时纤维状填料的成本 比较高。为 了提高复合 材料中导热介质之间的接触，将少量导热性能优异的 导 电纤维引入颗粒型绝缘导热复合材料 中，既可 以有 效提高复合材料的热导率，又能保证材料力学、耐化 学和绝缘性能。虽然有少量文献报道了导 电纤维填充 聚合物复合材料的导热性能 隅 l，而导电纤维和绝缘导 热填料混杂复合材料的研究结果未见报道。通过将单 丝分散的少量短切碳纤维添加到 AI N 环氧树脂复合 材料中，研究了碳纤维含量对复合材料导热、电学和 力学性能的影响。2实验 将短切碳纤维(吉林炭素厂，直径约为 7 m)放 入打浆机(陕西科技大学机械厂)中，加入一定量水，利用打浆机飞刀辊和底刀的机械作用，得到含碳纤维 的浆料。过滤烘干后得到纤维长度约为 2 3 mm的 短切碳纤维单丝。将 A I N 陶瓷粉末(三河燕郊新宇高 新技术陶瓷材料有限公司，平均粒径为 1 5 m)6 0 0 处理 2 h后，用钛酸酯偶联剂进行表面处理，烘干后 与一定量短切碳纤维单丝加入到环氧树脂 E一5 1(岳 阳石化环氧树脂厂)和化学计量 比的 甲基 四氢苯酐(嘉兴市福来特化工有限公司)混合液中，以 0 5 (质量 比)的 D MP一3 0为促进剂，搅拌均匀并在 6 0 条件下超声分散 3 0 rai n，浇注到 1 0 0 mm8 mm和 1 2 0 mm1 5 mm8 mm的钢制模具中，真空脱泡后 按 1 0 0 2 h、1 2 0 2 h和 1 5 0 6 h的固化条件 固化，冷却脱模、表面打磨后制成 电阻、介 电、热膨胀 及弯曲性能测试试样。复合材料 中 AI N 陶瓷的体积 含量为 5 0，短切碳纤维体积含量分别为 0、0 3、0 6、0 9、I 2、I 5 j 阳 I、8。利用 T C一2热导率测定仪(复旦大学科教仪器 厂)测试复合材料的热导率；利用 Z C 4 3 超高阻计(上 海第六 电表厂)测试复合材料体积 电阻率和表面电阻 率；利用 Q B G一3型高频 Q表(上海无线 电仪器厂)测 试复 合 材料 的介 电性 能；利 用 P y r i s Di a mo n d D MA系统测试复合材料的热膨胀系数，频率为 1 Hz，升温速率为 2 mi n；利用 R GT一3 0电子万能材料 试验机(深圳瑞格尔有限公司)测试复合材料的弯 曲 性能。3 结果与讨论 2 00 8 41 3 1 碳纤维含量对复合材料热导率的影响 AI N环氧树脂复合材料的热导率与碳纤维体积 含量 的关系如图 I所示。图 1 碳纤维含量对复合材料热导率的影响 由图 1可看出，随着短 切碳纤维含量的增加，复 合材料的热导率增大，当短切碳纤维含量 由 0增加到 1 8 时，体系的热导率由 1 1 4W m K 上升到 I 4 5 W m K-1)增加 了 2 7。这是因为，导热性 能 优 良的短切碳纤维连接 AI N陶瓷颗粒，在陶瓷颗粒 之间起着导热桥梁作用。随着纤维体积含量增加，陶 瓷颗粒之间通过碳纤维的搭接增多，复合材料的热导 率提高。短切碳纤维在 AI N 陶瓷颗粒之间的搭接作 用如图 2所示。图 2 短切碳纤维对 A I N陶瓷颗粒的连接作用 3 2 碳纤维含量对复合材料电阻率的影响 A1 N环氧树脂复合材料 电阻率与短切碳纤维含 量的关系如图 3 所示。由图 3 可 以看 出，复合材料的 体积 电阻率 fD 和表面 电阻率 fD 均随着短切碳纤维 体积含量的增加而下降。当碳纤维体积含量 由 0 增加 到 1 8 时，复合材料的 P 由 2 6 9 1 0 Q m 降低 到 6 1 61 0 地Q m，P 由 2 0 91 0”Q 降 低到 2 9 5 1 0 mQ，降低 了 3 个数量级。当碳纤维含量高于 1 2 时，复合材料的电阻率随纤维含量增加而下降 较快。维普资讯 http:/ 绝缘材料 2 0 0 8，4 1(3)堡堡垡笠!堑 丝 氢 丝丝量垫墨盒垫 丝堂堑窒 三 吕 图 3 碳纤维含量对复合材料热导率的影响 作为电的优 良导体，短切碳纤维在提高复合材料 热量传递的同时，也为电载流子提供通道，降低体系 的电阻率。当纤维含量较高时，各个导 电通道 之间可 以出现部分连接，使复合材料的电阻率迅速下降。需 要注意的是，当短切碳纤维体积含量达到 1 8 时，虽然复合材料的电阻率降低了 3 个数量级，但体积电 阻率和表面 电阻率仍然分别 高达 1 0 挖Q i n和 1 0 加 Q，也能满足一般的绝缘要求。3 3 碳纤维含量对复合材料介电性能的影响 A1 N 环氧树脂 复合材料介电常数 e，和介质损耗 因数 t a n 与短切碳纤维含量的关系如图 4 所示。由 图 4看出，复合材料的 e，和 t a n 随碳纤维含量增加 而上升。复合材料中少量的短切碳纤维相当于在体系 中引入了许多微电容，提高 了材料的极化性能。从而 提高复合材料的介 电常数。介质损耗 因数的提高主要 是 因为短 切 碳纤 维 的加 入 增 大 了材 料 的漏 电损 耗 I 9 1。ln 1 20 1 1 5 11 0 l 05 l 0 0 95 9 0 8 5 碳纤维含量()图 4 碳纤维含量对复合材料介电性能的影响 3 4 碳纤维含量对复合材料热膨胀的影响 A1 N环氧树脂复合材料的线膨胀 系数 由下式计 算得到=a 一 (1)式中，为复合材料的线膨胀系数；z 、z o 分别为实验 温度和 0时复合材料试样的长度；T为实验温度，单位为。不同短切碳纤维含量的复合材料的线膨胀系数 如表 1 所示。从表 1中看出，同一温度下，不 同碳纤维 含量复合材料线膨胀系数 a的变化很小；当碳纤维 含量较高时，复合材料的 a略有降低。这说 明少量短 切碳纤维的存在对 A1 N 环氧树脂复合材料的热膨胀 性能影响较小，其原因是相对于 A1 N 陶瓷(占复合材 料体积分数 5 0)颗粒而言，含量为 1 左右的短切 碳纤 维对复 合材 料的体 积 或线 膨胀 的影响可 以忽 略。碳纤维含量较高时复合材料线膨胀系数略有降低 的原因可能是，短切碳纤维对受热时环氧树脂的膨胀 有约束作用，当纤维含量较高时，这种约束作用逐渐 明显，表现为复合材料的线膨胀系数降低。表 1 不同碳纤维含量复合材料的热膨胀系数 碳纤维体积分数 不同温度下的 口 值，l 0 K 2 5 5 O 7 5 l O O O O 2 2 7 5 4 l 5 7 8 l 8 9 2 O-3 O 2 2 7 45 l 5 5 O l 8 7 3 05 O 2l 7 8 3 1 5 5 O l 8 5 4 09 O 2 2 7 _ 3 6 1 5 4 0 l 8 5 4 l-2 0 2 O 7 _ 3 6 1 5 21 1 8-3 5 1 5 0 】9 7 8 3 1 5 1 2 】8 2 6 1 8 0 】6 7 26 1 5 O 2 】7 9 7 3 5 碳纤维含量对复合材料弯 曲性能的影响 不同碳纤维含量的 A1 N 环氧树脂复合材料的弯 曲强度和模量如图 5所示。氍 魍 静 图 5 碳纤维含量对复合材料弯曲性能的影响 由图 5可以看出，复合材料的弯曲强度和模量随 短切碳纤维含量 的增加而上升。当纤维体积含量由 0 增加到 1 8 时，复合材料的弯 曲强度 由 5 8 1 5 MP a 提高到 6 6 3 5 MP a，弯 曲模量 由 1 7 7 4 G P a提高到 2 0 0 6 GP a，分别提高了 1 4 和 1 3。表 明少量的短切 维普资讯 http:/ 坌堡 垡箜!堑塑 丝 A l N 氧 树脂绝缘导热 复合材料性能研究 碳纤维可以较大程度地提高绝缘导热复合材料的弯曲 性能。其原因是大长径 比的碳纤维在复合材料中起承 载和传递应力的作用，短切碳纤维含量越高，复合材料 的承载能力越强。4 结柬语 采用在 A1 N 环氧树脂复合材料中加入一定量的 短切碳纤维 的方法，研究了复合材料的导热、电学和 力学性能与短切碳纤维含量的关系，得出如下结论：(1)绝缘导热复合材料 的热导率、介 电常数和介 质损耗因数随短切碳纤维含量的增加而增大。当纤维 体积含量由0 增加到 1 8 时，复合材料的热导率增 加 2 7。(2)随着短切碳纤维体积含量的增加，绝缘导热 复合材料电阻率下降，当纤维含量增加到 1 8 时，复合材料的电阻率降低了 3个数量级，体积电阻率和 表面 电阻率分别为 1 0 化Q 1 T t 和 1 0 加Q，能满足绝缘 要求。(3)绝缘导热复合材料的线膨胀系数随短切碳纤 维含量的变化不大，弯曲强度和模量随纤维体积含量 增加而上升。当短切碳纤维含量 由 0增加到 1，8 时，复合 材料的弯 曲强 度和模 量分别提 高 1 4 和 1 3。20 0 8 4 1 参考文献：【1】Xu Y S，Ch u n g D D L，Mr o z C Th e r ma l C o n d u c t i v i t y AI u mi n i u m Ni t r i d e P o l y me r Ma t e r i a l C o mp o s i t e s J】C o mp o s-i t e s：P a r t A，2 0 0 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c i e n c e(P a r t B)：P o l y me r Ph y s i c s，1 9 9 8，3 6(1 3)：2 2 5 9 2 2 6 5 【9】C h wa n g C P，L i u C D，Hu a n g S W，e t a 1 S y n t h e s i s a n d Ch a r a c t e r i z a t i on o f Hi g h Di e l e c t r i c Co ns t a n t Po l y a n i l i n e p o l y u r e t h a n e B l e n d s【J】S y n t h e s i s Me t a l，2 0 0 4，4 8(1 3)：2 7 5 2 8 1 【1 0】Hu a n g C，Z h a n g Q M，B o t t o n G D，e t a 1 Al l o r g a n i c Di e l e c t r i c Pe r c o l a t i v e Th r e e c o mp on e nt Co mp o s i t e M a t e r i a l s wi t h E l e c t r o me c h a n i c a l Re s p o n s e【J】Ap p l i e d Ph y s i c s L e t t e r s 2 0 0 4(8 4)：4 3 9 1 4 3 9 3 (上接 第 3 2页)【9】陈雷，王晓慧。李龙土 B ME ML C C中陶瓷 一 金属界面行为的 研究【J】电子元件与材料，2 0 0 7。2 6(1)：5 6 5 8 【1 0】周晓华，张树人，唐斌，等 环保型多重掺杂 X 7 R瓷料的多元 线性 回归分析【J】无机材料学报，2 0 0 6，2 1(3)：6 8 36 8 8 【l 1】王崇国，周 康根，胡敏 艺 ML C C电极用超细铜粉的制备及其 形貌研究【J】材料研究与应用，2 0 0 7，1(2)：1 0 8 1 1 2 【l 2】白柳杨。袁方利，阎世凯，等 ML C C内电极用超细镍粉的制备 进展【J】电子元件与材料，2 0 0 6，2 5(1 0)：6 9 【1 3】胡敏艺，王崇国，周康根 多层 陶瓷电容器 电极用超细铜粉的 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