CN101423651B - 低温、高导热、电绝缘环氧树脂纳米复合材料制备工艺 - Google Patents

Abstract

一种低温、高导热、电绝缘环氧树脂纳米复合材料制备工艺，采用填充法在环氧树脂基体中引入高导热率纳米陶瓷颗粒，通过对纳米陶瓷颗粒的表面改性解决了纳米颗粒易团聚的问题，并通过高速搅拌和超声波振荡等方法使得纳米陶瓷颗粒在环氧树脂中得到了均匀分散，解决了纳米陶瓷颗粒在树脂中的沉降问题。此外，由于纳米陶瓷颗粒对微裂纹的钉扎作用，复合材料体系的冲击韧性也得到了提高。同时所引入的纳米陶瓷颗粒也具有较高的体积电阻率，因此复合材料体系的体积电阻率仍然保持在较高的水平。

Description

低温、高导热、电绝缘环氧树脂纳米复合材料制备工艺

技术领域

本发明属于纳米复合材料技术领域，特别涉及到一种低温、高导热、电绝缘环氧树脂纳米复合材料制备工艺。

背景技术

低温环氧树脂是指在低温环境下使用并具有足够粘接强度和韧性的环氧树脂，低温环境通常可指77K液氮、20K液氢、4K液氦等环境。

国防工业、航空航天技术以及超导技术的发展，对环氧树脂的性能提出了新的要求：

①较好的低温粘接性能和韧性

低温下良好的粘接性能和韧性是保证电子封装、线圈浸渍等粘接效果的可靠性的基础，也是环氧树脂在低温下应用的前提；

②较好的导热性能

导热性比较差是环氧树脂在低温领域应用的不利因素，欲使被封装器件能够较快到达适用低温，避免环氧树脂层成为系统冷却的瓶颈，必须提高环氧树脂的导热率，如此才能进一步拓展其应用领域；

③优良的电绝缘性能

环氧树脂的电绝缘性能一般都较好，体积电阻率在10¹²～10¹⁵Ω·cm量级，提高环氧树脂低温韧性和导热性的一个重要前提是不恶化其电绝缘性能，也只有这样才能保证被封装电子设备乃至整个装置平稳运行。

而目前市场上的环氧树脂都有其固有的缺陷而无法在低温领域应用；环氧树脂通常都具有优良的常温冲击韧性和电绝缘性能，当环氧树脂用于低温条件时会产生较大的热应力集中，聚合物的链段往往会被冻结，由于冷收缩而导致分子间未被占据的空间大大减小，分子链段运动变得困难，从而导致低温下环氧树脂固化物的抵抗裂纹扩展的能力也变差，即固化物的韧性变差，粘接性能急剧降低；此外，较低的导热率也制约着常规环氧树脂在低温领域的广泛应用，因此必须寻求途径改善环氧树脂的低温韧性和热导率，同时又要保证不恶化其电绝缘性能。

发明内容

为克服上述背景技术条件下环氧树脂低温韧性差、导热率低等不足之处，本发明提供一种低温、高导热、电绝缘环氧树脂纳米复合材料制备工艺，采用填充法在环氧树脂基体中引入高导热率纳米陶瓷颗粒，通过对纳米陶瓷颗粒的表面改性解决了纳米颗粒易团聚的问题，并通过高速搅拌和超声波振荡等方法使得纳米陶瓷颗粒在环氧树脂中得到了均匀分散，解决了纳米陶瓷颗粒在树脂中的沉降问题。此外，由于纳米陶瓷颗粒对微裂纹的钉扎作用，复合材料体系的冲击韧性也得到了提高。同时所引入的纳米陶瓷颗粒也具有较高的体积电阻率，因此复合材料体系的体积电阻率仍然保持在较高的水平。

为了实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

所述的低温、高导热、电绝缘环氧树脂纳米复合材料制备工艺，先对纳米陶瓷颗粒进行表面处理，以克服纳米陶瓷颗粒由于表面能高而易团聚的缺点，利于纳米填料在树脂中的分散，然后通过高速搅拌与超声波振荡相结合的方法来实现改性纳米陶瓷颗粒在树脂中的均匀分散，最后是环氧树脂的固化；具体步骤如下：

1)纳米陶瓷粉体的表面改性

将2～15重量份的纳米粒子加入到0.1～5重量份的偶联剂与20～60重量份的有机溶剂中，通过500～2000转/分的速度的高速剪切搅拌1～4小时将上述溶液混合均匀，并通过超声波振荡0.5～4小时使得纳米粉体均匀分散，然后将溶液边搅拌边加热，直至溶剂挥发完毕，将改性后的纳米粉体烘干后研磨待用；

2)纳米陶瓷粉体的均匀分散

将改性后的1～50重量份纳米粉体加入到环氧树脂40～80重量份、低分子双酚A环氧树脂20～60重量份、液态芳香二胺10～50重量份的混合液中，在500～2000转/分的搅拌速度下搅拌1～4小时，将上述混合液混合均匀，并经过超声波振荡1～3小时，使纳米粉体在混合液中分散均匀；

3)环氧树脂的固化

将混合液倒入模具中进行固化，真空状态时在60～80℃保持18～24小时，然后升温至110～130℃保持8～14小时，随炉冷却。

由于采用了如上所述技术方案，本发明具有如下优越性：

1、改性后复合材料体系的低温及室温热导率都有所提高，以引入20wt％纳米填料的复合材料体系为例，相比0wt％纳米填料其热导率提高了50％以上；

2、改性后复合材料体系的冲击韧性得到明显改善，以引入20wt纳米填料的复合材料体系为例，相比0wt％纳米填料其低温冲击韧性提高了30％以上；

3、改性后复合材料体系的热膨胀系数呈下降趋势，改性后的复合材料体系与被浸渍对象如金属材料的热膨胀系数差距进一步缩小，以引入20wt纳米填料的复合材料体系为例，热膨胀系数降低了20％以上；

4、改性后复合材料体系的电绝缘性能仍保持在较高的水平，以引入20wt纳米填料的复合材料体系为例，复合材料体系体积电阻率保持在10¹⁴Ω·cm量级，且体积电阻率有小幅提高。

具体实施方式

本发明的低温、高导热、电绝缘环氧树脂纳米复合材料制备工艺是先对纳米陶瓷颗粒进行表面处理，以克服纳米陶瓷颗粒由于表面能高而易团聚的缺点，利于纳米填料在树脂中的分散，然后通过高速搅拌与超声波振荡相结合的方法来实现改性纳米陶瓷颗粒在树脂中的均匀分散，最后是环氧树脂的固化。具体举例如下：

实施例1

1)纳米粉体改性

将10重量份的纳米粒子加入到0.8重量份的偶联剂与40重量份的有机溶剂中，通过1500转/分的速度的高速剪切搅拌2小时，将上述溶液混合均匀，并通过超声波振荡1小时使得纳米粉体能够均匀分散，然后将溶液边搅拌边加热，直至溶剂挥发完毕，将改性后的纳米粉体烘干后研磨待用；

2)纳米陶瓷粉体的均匀分散

将改性后的20重量份纳米粉体加入到环氧树脂40重量份、低分子双酚A环氧树脂35重量份、液态芳香二胺25重量份的混合液中，在1500转/分的搅拌速度下搅拌2小时，将上述混合液混合均匀，并经过超声波振荡1小时，使纳米粉体在混合液中分散均匀；

3)环氧树脂的固化

将混合液倒入模具中进行固化，真空状态时在70℃保持20小时，然后升温至120℃保持10小时，随炉冷却。

实施例2

1)纳米粉体改性

将10重量份的纳米粒子加入到0.2重量份的偶联剂与50重量份的有机溶剂中，通过2000转/分的速度的高速剪切搅拌2小时，将上述溶液混合均匀，并通过超声波振荡1小时，使得纳米粉体能够均匀分散，然后将溶液边搅拌边加热，直至溶剂挥发完毕，将改性后的纳米粉体烘干后研磨待用；

2)纳米陶瓷粉体的均匀分散

将改性后的20重量份纳米粉体加入到环氧树脂50重量份、低分子双酚A环氧树脂40重量份、液态芳香二胺增韧剂30重量份的混合液中，在500～2000转/分的搅拌速度下搅拌2小时，将上述混合液混合均匀，并经过超声波振荡1小时，使纳米粉体在混合液中分散均匀；

3)环氧树脂的固化

将混合液倒入模具中进行固化，真空状态时在70℃保持20小时，然后升温至115℃保持10小时，随炉冷却。

实施例3

1)纳米粉体改性

将10重量份的纳米粒子加入到0.1重量份的偶联剂与50重量份的有机溶剂中，通过2000转/分的速度的高速剪切搅拌2小时，将上述溶液混合均匀，并通过超声波振荡1小时，使得纳米粉体能够均匀分散，然后将溶液边搅拌边加热，直至溶剂挥发完毕，将改性后的纳米粉体烘干后研磨待用；

2)纳米陶瓷粉体的均匀分散

将改性后的20重量份纳米粉体加入到环氧树脂70重量份、低分子双酚A环氧树脂50重量份、液态芳香二胺增韧剂40重量份的混合液中，在1500转/分的搅拌速度下搅拌2小时，将上述混合液混合均匀，并经过超声波振荡1小时，使纳米粉体在混合液中分散均匀；

3)环氧树脂的固化

将混合液倒入模具中进行固化，真空状态时在80℃保持20小时，然后升温至130℃保持10小时，随炉冷却。

Claims (1)

1. 一种低温、高导热、电绝缘环氧树脂纳米复合材料制备工艺，其特征在于：先对纳米陶瓷颗粒进行表面处理，以克服纳米陶瓷颗粒由于表面能高而易团聚的缺点，利于纳米填料在树脂中的分散，然后通过高速搅拌与超声波振荡相结合的方法来实现改性纳米陶瓷颗粒在树脂中的均匀分散，最后是环氧树脂的固化；具体步骤如下：

1)纳米陶瓷粉体的表面改性

将2～15重量份的纳米粒子加入到0.1～5重量份的偶联剂与20～60重量份的有机溶剂中，通过500～2000转/分的速度的高速剪切搅拌1～4小时将上述溶液混合均匀，并通过超声波振荡0.5～4小时使得纳米粉体均匀分散，然后将溶液边搅拌边加热，直至溶剂挥发完毕，将改性后的纳米粉体烘干后研磨待用；

2)纳米陶瓷粉体的均匀分散

将改性后的1～50重量份纳米粉体加入到环氧树脂40～80重量份、低分子双酚A环氧树脂20～60重量份、液态芳香二胺10～50重量份的混合液中，在500～2000转/分的搅拌速度下搅拌1～4小时，将上述混合液混合均匀，并经过超声波振荡1～3小时，使纳米粉体在混合液中分散均匀；

3)环氧树脂的固化

将混合液倒入模具中进行固化，真空状态时在60～80℃保持18～24小时，然后升温至110～130℃保持8～14小时，随炉冷却。