[发明专利]一种垂直取向氮化硼/高聚物绝缘导热材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于绝缘导热材料的制备领域，具体为一种高导热绝缘垂直取向氮化硼纳米片/高聚物热界面材料的制备方面。

背景技术

随着电子器件的微型化，多功能化，高密度集成化发展，热管理问题越来越受到重视，热失效已逐步成为了电子器件失效方式主要形式。据统计，每当器件工作温度升高10°C ，其可靠性下降50%。在高效率照明方面，散热问题已经成为被誉为第三次照明革命的LED 等半导体发光技术的发展瓶颈，以汽车用LED 器件为例，其前照灯用LED 器件的热流密度已高达400 W/cm²。对于航空航天及军事领域电子设备、功率电子设备、光电器件、微/纳机电系统、生物芯片、固体照明、太阳能电池等都存在类似的广泛而迫切需要散热冷却的问题。因此，发展新一代高导热绝缘材料迫在眉睫。

传统导热材料如金属，金属氧化物，氮化物及其他非金属材料，虽然有较高的本征热导率，但由于这些材料具有导电，比重较高或性质较脆等问题，无法使用于现代电子领域。因此，聚合物/导热陶瓷复合材料在该领域有较大的优势，但是目前大部分的研究结果所得的导热系数都在5W/m K以下，难以达到商用需求。这些研究结果表明，仅仅通过简单地将高导热陶瓷粉末混合，难以在聚合物基复合材料基体中形成导热网络，而且填料与树脂之间存在较严重的界面热阻。

六方氮化硼，具有类似于石墨烯的层状结构，有白石墨稀之称，近年来受到广泛的关注。理论计算，单层六方氮化硼纳米片的热导率高达2000W/m K, 其介电常数为4，具有良好的导热性能及绝缘性能。在导热绝缘聚合物复合材料领域有较好的应用前景。但由于其表面惰性的问题，与树脂的相容性较差，界面热阻较大。而且当填充量较高时，材料力学性能较差，难以满足商业应用要求。

目前，高导热绝缘复合材料中的树脂基体，一般选用环氧树脂，聚二甲基硅氧烷，天然橡胶，聚酰亚胺，尼龙之类。由于传统的浇注成型或塑炼混合的方法并不能使填充的高聚物分子链具有取向性，所以一般树脂的导热率较低，约为0.3W/m K。Virendra Singh, Sheng Shen 等人报道，将结晶性高聚合物进行处理，使其内部分子链结晶时具有高取向，聚合物沿取向方向上的导热率可以大幅度提高。Sheng Shen制备出一种高取向的聚乙烯纤维，其热导率可达 104W/m K。而利用树脂的取向结晶性来增强基体导热性能的研究仍处于初步阶段，并没有太多相关的报道。

当前，对于陶瓷等无机非金属材料来说，其表面修饰的方法一般是利用一些陶瓷基体表面上的羟基与硅烷偶联剂形成共价键而对其表面进行改性。而对于氮化硼，石墨烯这类表面惰性的，缺乏官能团的填料来说，直接使用硅烷偶联剂进行改性的效果并不明显。而采取的方法一般为使用强酸，强氧化剂对填料表面进行氧化，使其表面修饰上官能团，再使用硅烷偶联剂进行修饰。而该方法会在材料表面引入缺陷，不利于声子的传输，从而降低材料的本征导热性能，使得修饰效果不明显。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提供了一种垂直取向的氮化硼高导热绝缘聚合物复合材料及其制备方法，以解决现在的聚合物/导热陶瓷复合材料难以在聚合物基体中形成有效的导热网络，难以提高基体的热导率的问题。

本发明的另外一个目的在于提供了一种新型的非共价键界面修饰方法，提高了填料与基体的界面相容性，既增强材料的力学性能，又可以降低界面热阻。

所述的垂直取向的氮化硼高导热绝缘聚合物复合材料制备及表面修饰方法如下：

将质量分数为0.5%~2%氮化硼加入到水和乙醇混合溶液中（质量比1:1~1:5），混合超声处理0~24小时，得到氮化硼纳米片混合溶液。

往所述的混合溶液中加入质量分数为0.1~0.2%的三羟甲基氨基甲烷，使用稀盐酸将PH调至8~9后，加入质量分数为0.2~2%的盐酸多巴胺，混合后得到混合物溶液。将上述溶液在黑暗环境下搅拌2~24小时。

往上述混合溶液中加入质量分数为0.5~2%的硅烷偶联剂如KH550, KH560, KH570等均可，然后使用稀盐酸将PH调至4~6。

将上述混合溶液使用去离子水、乙醇离心洗涤后，取出沉淀，在烘箱中烘干，得到非共价键修饰的氮化硼纳米片。

将所述的氮化硼纳米片涂覆在上下两层聚合物薄膜中，使用真空热压工艺，制备出氮化硼/聚合物薄膜，该薄膜具有较高的面内热导率。其中，氮化硼纳米片含量可以通过涂覆量的多少来控制。