[发明专利]一种电绝缘导热树脂复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电绝缘导热树脂复合材料及其制备方法，具体是一种具有电绝缘性和导热增强效果的二氧化硅包覆的碳纳米管-环氧树脂复合材料及其制备方法。

背景技术

随着集成电路器件尺寸上的不断小型化，数量上的巨型化，电子元件在工作过程中所产生的大量热量严重影响到元件的性能和可靠性，带来了一系列热管理问题。因此，电子封装材料已成为制约集成电路性能进一步提升的主要瓶颈。塑料封装材料在电子封装材料中用量最大，发展最快，而其中，又以环氧树脂应用最为广泛。传统封装材料中，通过向基体树脂中添加导热系数高的无机填料，如石墨，碳纤维，碳化硅，氮化硼，氧化铝，银或其它金属，可以有效提高其导热系数。但是，对于金属填料来说，无法实现电子封装材料对电气绝缘性能的要求。另一方面，对于球型颗粒填料和短长径比的晶须填料，虽然可以满足绝缘性能的要求，但是必须在高填充量时才能发挥较好的导热效果，这会造成树脂封装材料失去所需的性能，例如加工性和力学性能。

碳纳米管具有优异的力学和导热性能，使其成为高机械性能，高导热材料应用中的首选材料。Sergei Shenogin等人2004年在美国物理学会上发表的研究结果表明，碳纳米管-树脂基体间的界面热阻是影响复合材料导热系数的主要因素(具体参见J.Appl.Phys.2004，95：8136)。而Ming Hu等人于2007年在美国物理学会上发表文章指出，实现复合材料导热系数的提高需要填料-基体树脂间模量的匹配以及强的界面键合作用(具体参见Appl.Phys.Lett.，2007，91，241910)。碳纳米管的模量高达1TPa，而树脂基体的模量只有几个GPa(具体参见Phys.Rev.Lett.，2000，84，5552)，两者之间的模量严重失配；另外，惰性的碳纳米管与树脂基体间仅存在弱的范德华力，因此，现有技术中通过直接分散碳纳米管于树脂基体中，所得到的材料导热系数小，并且由于碳纳米管自身具有一定的导电性，也影响到封装材料对绝缘性的要求。

目前为止，电绝缘并导热的二氧化硅包覆的碳纳米管-环氧树脂复合材料及其制备方法还未见报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有碳纳米管填充复合材料导热系数不高，并且无电绝缘性的缺点，提供了一种具有电绝缘性和导热效果强的二氧化硅包覆的碳纳米管-环氧树脂复合材料及其制备方法。

本发明的电绝缘导热树脂复合材料，其特征是二氧化硅包覆的碳纳米管-环氧树脂的复合材料。

本发明的电绝缘导热树脂复合材料，其具体制备方法如下。

溶胶凝胶法制备SiO₂包覆碳纳米管：

①将碳纳米管置于硝酸和硫酸的混酸中回流氧化处理6～12h，碳纳米管与混酸的比为1g/100ml～1g/150ml，处理温度为90～120℃；然后经过滤，去离子水洗涤后干燥；

②将步骤①处理过的碳纳米管超声分散于无水乙醇、氨水和去离子水的混合液中，碳纳米管与乙醇的比为1g/150ml～1g/1000ml，超声振荡分散10～30分钟，最后机械搅拌10～30分钟，得A液；

③将正硅酸乙酯倾入A液中，正硅酸乙酯与碳纳米管的比为6ml/1g～60ml/1g，室温机械搅拌6～24小时，反应结束后，经微孔滤膜抽滤、洗涤、干燥后即得到SiO₂包覆碳纳米管；

经SiO₂表面包覆的碳纳米管在环氧树脂中分散并固化成型：

④将SiO₂表面包覆碳纳米管分散于有机溶剂里，两者的比为1g/50ml～1g/150ml，室温超声分散30～60分钟后，加入到经预热的环氧树脂中；将超声水浴温度升至70～90℃，继续超声分散1～2小时，然后机械搅拌1～2小时；

⑤加入添加量为环氧树脂的6-40wt％的固化剂，混合均匀并真空脱气泡后，视需要进行固化成型加工，即制成本发明的电绝缘导热树脂复合材料。

上述反应方法里，

步骤①所述的硝酸和硫酸的混酸，硝酸/硫酸体积比为1/3～3/1；

步骤②所说的无水乙醇，氨水和去离子水的混合液，其浓度：相对于乙醇，氨水及去离子水的摩尔浓度分别为0.16～0.48mol/L及0～20mol/L；

步骤④所述的有机溶剂为下列溶剂中的一种：乙醇，丙酮，四氢呋喃，氯仿；所述环氧树脂为双酚A型E-51、E-44型中的一种，环氧树脂与SiO₂表面包覆碳纳米管的质量比为100/0.1～100/2。