| 六方氮化硼纳米片/聚合物复合结构构筑与导热性能研究 | |
| Alternative Title | 无 |
| 安璐璐 | |
| Thesis Advisor | 于元烈 |
| 2022-05-20 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Department | OSSO国家重点实验室 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 六方氮化硼纳米片，聚合物基体，导热性，电绝缘性 |
| Abstract | 第五代通信技术（5G） 的发展，促使电子设备向高频化、多功能化、小型化和集成化发展， 引起器件发热量急剧增加等问题。 这对热管理材料（TIMs）提出了更高的导热要求， 以提高 5G 电子器件的可靠性和使用寿命。 聚合物材料因其高绝缘、易成形、易加工等特点，成为当前 5G 设备中理想 TIMs 候选材料之一。然而， 因聚合物材料的本征导热系数过低而极大的限制了其应用。因此， 当务之急就是如何提高聚合物材料的导热性能。 六方氮化硼纳米片（h-BNNSs） 因其优异的机械强度、卓越的导热性、低密度、低介电性、优异的绝缘性以及突出的化学稳定性和高温抗氧化性，被看作是提高聚合物材料导热性能的理想材料之一。 因此，本论文成功开发了 h-BNNSs 的可控剥离和原位改性技术； 随后， 以改性后的 h-BNNSs 为基础，在环氧树脂（EP）、聚乙烯醇（PVA）和聚酰亚胺（PI） 聚合物材料中构筑了 h-BNNSs 三维（3D） 导热网络结构；探讨了改性 h-BNNS/聚合物复合材料的导热、机械强度、电学、化学稳定性等性能；此外，结合理论计算研究了改性 h-BNNSs 基 3D 网络结构的导热机制； 实现了性能优异的绝缘高导热改性 h-BNNS/聚合物复合材料的可控制备。主要研究内容总结如下：（1）开发了 h-BNNSs“低温插层-自膨胀-剥离”技术， 实现了 h-BNNSs的可控剥离和原位改性。该过程通过诱发水结冰体积快速膨胀， 从而有效降低h-BNNSs 层间相互作用，从 h-BN 中剥离出高质量 h-BNNSs。 分子动力学模拟表明，水分子可以通过由羟基引起的 h-BNNSs 局部结构畸变形成的“入口” 进入 h-BNNSs 层间。进入 h-BNNSs 层间的水分子在降温过程中可以形成相当致密的初始冰核，然后随着温度急剧下降而迅速增大，导致 h-BNNSs 层间间距增大，层间作用力减小， 在后续超声处理中实现 h-BNNSs 的高效剥离。 h-BNNSs的厚度由冷冻和剥离循环次数决定， 在当前实验中， 经过 5 次冷冻和剥离循环后可获得单层 h-BNNSs。（2）制备了准均相导热改性 h-BNNS/EP 复合材料。 采用机械剥离和原位改性法制备了 Pebax 功能化的 h-BNNSs（P-BNNSs）， 并以 P-BNNSs 以基础，在 EP 基体内构筑了 P-BNNSs 基 3D 网络结构， 以提高 EP 的导热和抗磨性能。Pebax 有效提高了 P-BNNSs 的分散性，在 EP 固化过程中实现 P-BNNSs 在 EP基体中的均匀分层组装，形成 3D 网络热传输结构。这种 3D 结构作为优良的导热通道， 可同时实现垂直和水平方向的热扩散，获得准均相导热 P-BNNS/EP复合材料。该材料的垂直和面内导热系数分别为 3.74 和 2.9 W/(m·K)。 此外，这种特殊的结构可同时提高 EP 的抗磨、械和电气绝缘性能。 当 P-BNNS/EP复合材料中 P-BNNSs 含量≤6 wt.%时，摩擦系数磨损率分别小于 0.2 和 1×10-5mm3/(N•m)。另外， P-BNNS/EP复合材料的拉伸应力也得到大幅增强（>110 MPa），体积电阻率大于 1.50 × 1013 Ω•cm。 这些性能的改进使 P-BNNS/EP 复合材料在高密度集成系统和高频印刷电路板封装或散热材料方面具有广阔的应用前景。（3）开发了准均相高导热纤维素增强尼龙 12 改性 h-BNNS/PVA 强韧高透明复合薄膜的可控制备技术。 采用真空过滤和自组装工艺成功制备了纤维素增强PVA/尼龙 12 改性 h-BNNSs （PVA/(CNC/PA-BNNS） 高均相导热薄膜。 h-BNNSs在 PVA 中的自组装过程中， 由于内应力作用使得边缘发生翘曲， 形成了由纵向翘曲边缘连接的水平堆叠的 h-BNNSs 组成的 3D 网络结构。这种特殊的结构使PVA/(CNC/PA-BNNS)薄膜具有良好的导热性，其面内和垂直导热系数可分别高达 14.21 和 7.29 W/(m·K)，表现出较高的准各向同性。此外， 该复合薄膜具有优异的透明性、超强的柔韧性、 优异的机械强度和电绝缘性，可作为 TIMs有效降低 CPU 运行温度。（4） 实现了准均相高导热的多巴胺改性 BNF@BNNPs/PI 复合薄膜的可控制备。 通过多巴胺（PDA）成功改性了不同尺寸的 h-BNNSs， 偏向于颗粒状的定义为 PDA-BNNPs，偏向于多层片状的定义为 PDA-BNFs。 通过将 PDA-BNNPs和多层 PDA-BNFs 合理组装，得到了 PDA-BNNPs 复合的 PDA-BNNSs（PDA-BNF@BNNPs），形成了一种 PDA-BNFs 横向排布， PDA-BNNPs 填充层间的特殊的“板-砖” 堆叠结构。 该结构中水平排布的 PDA-BNFs 可以实现复合材料的水平导热性能，而垂直排布的 PDA-BNNPs 可以充当 PDA-BNFs 层间的导热“桥梁”，使得 PDA-BNF@BNNP/PI 复合薄膜具有较高的准各向同性热导率， 在垂直和面内方向上分别获得了 6.43 和 11.85 W/(m·K)的高导热系数。同时， PDA-BNF@BNNP/PI 复合薄膜还具有超过 560℃的高热稳定性， 和体积电阻超过 1.40 × 10-13 Ω•cm 的高绝缘性。此外， PDA-BNF@BNNP/PI 薄膜具有良好的柔韧性和形状记忆性能，恢复响应时间比纯 PI 薄膜缩短 50 %以上。 |
| Other Abstract | 无 |
| MOST Discipline Catalogue | 工学 |
| Pages | 162 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/30048 |
| Collection | 羰基合成与选择氧化国家重点实验室（OSSO） |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 安璐璐. 六方氮化硼纳米片/聚合物复合结构构筑与导热性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2022. |
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