基于纳米氮化硼的环氧树脂复合材料性能研究

2020-10-27何栋，唐婷

合成材料老化与应用 2020年5期

何栋，唐婷

（西安航空职业技术学院，陕西西安 710089）

在高度集成化的工艺下，电气电子设备制造水平逐步提升，设备单位体积内形成的热量大幅增加，若缺乏合理的散热措施，将加快绝缘电解质的老化速度，不利于电气电子设备的稳定运行，使其耐久性受到影响。根据研究得知，伴随电子器件温度的提升，每上升2℃时均伴随有10%～20%的性能下降情况，且寿命仅为正常状态下（25℃工作环境）的1/6[1]。基于此，电子电器设备若要实现持续性运行，就必须解决散热问题，该文以环氧树脂(EP)为基础，探究微米复合材料(EPM)以及纳米复合材料(EPN)材料的性能。

1 实验部分

1.1 原材料

TE828EL型环氧树脂(EP)，脂环胺类固化剂，4,4'-二氨基二环己基甲烷(PACM)，六方氮化硼（粒径为2μm）以及纳米BN（规格：长100nm，厚10nm）。

1.2 复合材料的制备

选取PACM与BN，将其转移到恒温80℃环境中持续干燥2h，选取EP材料将其转移到60℃恒温环境中，持续干燥15min～30min，以达到降低勃度的效果。将EP与PACM有效混合，转入MT300型搅拌机内，在其辅助下搅拌脱泡处理；掺入BN，再次搅拌使其足够均匀，确保在EP中均匀分散。此后，利用KQ2200型超声波清洗器加以处理，通过超声振荡的方式破碎处于团聚状态的填料，当完成脱泡作业后，将所得材料静置15min。将材料导入钢模内，转移至真空干燥箱中，经15min的持续性真空脱泡后，创建80℃、120℃以及150℃三种环境，分别对其加热2h，主要目的在于避免填料固化时的沉降现象，频繁将试样倒置（操作间隔时间为0.5h），当其温度与所处室温相同时即可脱模，最终得到复合材料试样，此处将微米BN复合材料称为EPM，将纳米BN复合材料称为EPN[2]。

2 结果与讨论

2.1 复合材料的断面形貌

针对制备的EPM与EPN展开分析，获得断面微观形貌，具体情况如图1所示。基于图1(a)、(c)得知，若填料质量分数为5%，树脂基体包裹效果好，通过对环氧树脂基体的分析得知，该处均匀分布有大量的填料。基于图1(b)、(d)得知，若填料质量提升至15%，此时存在填料间搭接的现象，但尚未大范围聚集，存在于树脂基体中的填料分布具有较好的均匀性。

图1 各BN质量分数下EPM和EPN的断面微观形貌Fig.1 Cross section morphology of EPM and EPN with different BN mass fraction

2.2 填料质量分数和形貌对热导率的影响

实际检测过程中，若填料处于不均匀分布状态，将直接对所得结果造成影响。对此，关于材料热导率检测工作，需采取换面测试的方式，要求正、反面所对应的测试次数分别为3次，根据所得数据求得平均值，具体结果如图2所示。

图2 各BN质量分数复合材料的热导率Fig.2 Thermal conductivity of composites with different BN mass fraction

从图2热导率来看，EPN明显大于EPM，主要原因在于微米BN间含有大量的点接触现象，相比之下纳米BN则采取的是面接触的方式，由于形成大范围接触，因此会构成连续性的导热网链。此外，伴随填料质量分数的提升，所对应的热导率也随之增大，若质量分数超过10%，将呈现出更为明显的热导率提升现象；BN纳米片质量分数达到15%时，此时EPN所具备的热导率为0.61W/(m·K)，明显超出了纯环氧树脂热导率。分析此现象的成因，当填料质量分数处于较低水平时，不利于填料间的接触，此时各填料与树脂基体呈现的是串联结构，因此并未出现明显的热导率增加现象；反之，若填料质量分数相对较高，此时填料间相继发生接触，导热网链的范围逐步扩大，于填料与基体间产生了并联结构，在此环境下伴随填料质量分数的不断加大，所呈现出的导热网链更加紧密，自然会大幅提升材料热导率。

2.3 复合材料的电气强度

关于复合材料的性能分析，交流电气强度也尤为关键，因此在多种BN质量分数下获得各自对应的EPM与EPN试样。根据既有研究结果得知，试样厚度会对检测结果带来影响，为提升结果精确性，需严格控制试样厚度，本次研究中采取的是厚度300μm的标准，检测两类材料所对应的交流电气强度情况，具体如图3、图4所示。此外，针对63.2%击穿概率下的电气强度展开对比分析，所得结果如图5所示。总体上，两大复合材料的电气强度变化特性大体相同，伴随BN质量分数的提升，都表现出先增后减的趋势。若填料质量分数为1%，各自对应的电气强度都达到了极限状态，相较于纯环氧树脂而言，EPN与EPM在此指标上的增幅分别为4%和3.4%；伴随BN质量分数的变化，当该值超过1%，此时两材料的电气强度都呈现出下降的趋势，而在微米BN的作用下，将明显加大电气强度的降幅；若BN质量分数达到15%，将两类材料与纯环氧树脂对比分析，得知EPN和EPM的电气强度都有大幅度下降的现象，分别下降25.3%和34.2%。此外，若建立在BN质量分数相同的前提下，EPN的电气强度相对更高。

图3 威布尔分布下EPM的交流电气强度Fig.3 AC electric strength of EPM under Weibull distribution

图5 各BN质量分数下EPM和EPN的电气强度Fig.5 Electrical strength of EPM and EPN at different BN mass fraction

根据上述内容，若BN质量分数在1%以内，此时在微、纳米的作用下复合材料所具备的电气强度都呈现出提升的趋势，具体原因有：①微、纳米的比表面积相对较大，因此水分与分子链间的连接效果随之提升，界面结构更加稳定，可阻碍初始电子的运动，避免基体内部缺陷；②所使用的微、纳米BN填料较为特殊，具备散射载流子的能力，加大了载流子被捕捉的概率，此举可有效控制载流子自由行程，制备的复合材料具有更加优良的电气强度；③根据复合材料的基本特性，在无机填料的作用下，明显阻碍了材料内部击穿通道，避免其大范围发展。

2.4 复合材料的介电常数

以环氧树脂为原材料，向其中加入BN后，将产生有机-无机界面，此举可达到提升材料节点性能的效果。在多种BN质量分数下，明确 EPM与EPN各自对应的质量分数，具体结果如图6所示。

图6 各BN质量分数下EPM和EPN的介电常数与温度的关系Fig.6 Temperature dependence of dielectric constant of EPM and EPN with different BN mass fraction

由图6可知，在温度不变的前提下，伴随BN质量分数的提升，均呈现出介电常数加大的现象，且两类材料都明显超过纯EP介电常数。分析其原因：①就介电常数这一指标来看，BN明显超过EP，当采取的是在EP中掺入BN的方式，将提升复合材料介电常数，且与填料质量分数表现出近似正比的关系；②若向EP中加入适量的无机填料，则会产生丰富的有机-无机界面，该处存在明显的电荷聚集现象，加深了界面极化程度，在其作用下复合材料介电常数将表现出提升的趋势；③若填料中质量分数处于较大水平，BN粒子则会出现明显的团聚现象，使其粒径明显加大，环氧树脂分子间距相继扩大，有助于极性基团的偶极取向，此时介电常数也将加大。

无论是环氧树脂还是复合材料，伴随温度的提升，二者的介电常数都表现出增加的趋势，若温度处于较高值，此时介电常数的增加幅度更为明显。当温度较低时，大量极性分子趋近于冻结状态，松弛时间逐步延长，仅存在微弱的松弛极化现象，因此介电常数相对较小。而在温度不断提升之下，此时松弛极化较为明显，伴随介电常数提升的现象。

2.5 复合材料的电导特性分析

若温度在40℃以内，建立在温度不发生变化的前提下，纯环氧树脂和复合材料均具备相同的电导特性，即伴随时间的延长，出现的体积电导电流呈逐步衰减的趋势。分析其成因，在低温低电场环境中，电极虽然注入电荷但数量极少，此时仅在杂质离子的作用下出现电导现象，且伴随极化电流时间的延长，该现象逐步衰减[3]。若温度持续提升，使得体积电导电流不断提升，当该值超过60℃时，将出现体积电导电流增加的趋势，主要原因在于高温环境下分子存在明显极化现象，此时极化电流不再衰减。