CN109294230A - 一种碳微纳米材料与氮化铝的复合薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了材料合成技术领域的一种碳微纳米材料与氮化铝的复合薄膜的制备方法，该方法的具体步骤如下：S1：纳米氮化铝改性；S2：添加二甲基乙酰胺、二胺以及二酐形成聚酰亚胺的预聚体聚酰胺酸；S3：纳米氮化铝与聚酰亚胺的预聚体聚酰胺酸混合；S4：混合胶液由铺膜机铺膜；S5：烘干脱膜，制得成品，本发明通过将高导热的纳米氮化铝加入到合成的聚酰亚胺中以提高纳米复合薄膜的导热系数，并对纳米氮化铝的粒子表面进行处理后提高有机‑无机两相界面的结合力，其制备的复合薄膜具有高导热低介电的特性，制备工艺简单可靠，适合大规模的推广使用。

Description

一种碳微纳米材料与氮化铝的复合薄膜的制备方法
技术领域
本发明公开了一种碳微纳米材料与氮化铝的复合薄膜的制备方法，具体为材料合成技术领域。
背景技术
随着微电子技术的不断发展，微电子集成度不断提高，功率密度不断增大，集成散热也成为了微电子器件可靠性必须要解决的问题。氮化铝薄膜由于其绝缘性好、介电常数大、与硅匹配的热膨胀系数等优势，也成为了微电子器件散热涂层材料的主要研究对象之一。但是国内外所报道的AIN薄膜的热导率与块材有相当大的区别，而通过添加高热导率的微纳米材料来提高整体材料热导率的方法受到了许多的研究，尤其是以环氧树脂等有机材料为基体的复合高热导率材料已经广泛运用于微电子器件的封装工艺中，但是在如AIN等无机材料薄膜中添加高热导率的碳基微纳米材料来提高热导率的工艺仍鲜有报道，主要是合成这类材料的工艺存在一定的难度。为此，我们提出了一种碳微纳米材料与氮化铝的复合薄膜的制备方法投入使用，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳微纳米材料与氮化铝的复合薄膜的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种碳微纳米材料与氮化铝的复合薄膜的制备方法，该方法的具体步骤如下：
S1：将一定量的纳米氮化铝加入到乙醇/水的混合溶液中，超声搅拌60min后形成均一的白色悬浊液，将此悬浊液放置在磁力搅拌上，常温搅拌2h，在此过程中，分批加入一定量的偶联剂进行改性，随后将改性好的纳米氮化铝的乙醇/水混合溶液放置在通风环境中，使大部分乙醇挥发，再在50℃的真空箱中抽真空烘2h，研磨后备用；
S2：取40～60ml的二甲基乙酰氨放入三口烧瓶中，加入2～3g二胺，超声搅拌30min，随后分批量的加入二酐，待溶液粘度变大并出现爬杆现象后，制得聚酰亚胺的预聚体聚酰胺酸；
S3：将制备好的聚酰亚胺的预聚体聚酰胺酸与经过改性后的纳米氮化铝一同加入砂磨机中，进行高速研磨16～20h，得到氮化铝与聚酰亚胺的混合胶液；
S4：将步骤S3中的混合胶液经过滤网过滤后，抽真空除去内部气泡，使用自动铺膜机在洁净的玻璃板上按照设计要求厚度铺膜，然后置于烘干箱中进行亚胺化；
S5：亚胺化完成后从烘干箱中取出玻璃板，在蒸馏水中浸泡0.5～1h，进行脱膜，晾干后制得成品。
优选的，所述步骤S1中，纳米氮化铝的改性过程为：用磷酸进行纳米氮化铝粒子表面酸洗，引入长分子链的有机物或无机酸做表面改性成分，有效的高深啊并限制氮化铝水解，随后用偶联剂对纳米氮化铝粒子表面进行改性处理。
优选的，所述步骤S1中，偶联剂为γ氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂。
优选的，所述步骤S2中，待二甲基乙酰氨与二胺完全溶解后添加二酐。
优选的，所述步骤S3中，砂磨机中放入大小不等的玛瑙珠进行辅助研磨，并在研磨过程中通入冷凝水，防止研磨机内温度过高导致聚酰亚胺降解。
优选的，所述步骤S4中，烘干箱的温度为60～80℃，烘干采用温度梯度升温的方式，其升温速率为5℃/min。
优选的，所述步骤S4中，铺膜的厚度采用多次旋涂的方式加以控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过将高导热的纳米氮化铝加入到合成的聚酰亚胺中以提高纳米复合薄膜的导热系数，并对纳米氮化铝的粒子表面进行处理后提高有机-无机两相界面的结合力，其制备的复合薄膜具有高导热低介电的特性，制备工艺简单可靠，适合大规模的推广使用。
附图说明
图1为本发明制备流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种碳微纳米材料与氮化铝的复合薄膜的制备方法，该方法的具体步骤如下：
S1：将一定量的纳米氮化铝加入到乙醇/水的混合溶液中，超声搅拌60min后形成均一的白色悬浊液，将此悬浊液放置在磁力搅拌上，常温搅拌2h，在此过程中，分批加入一定量的偶联剂进行改性，随后将改性好的纳米氮化铝的乙醇/水混合溶液放置在通风环境中，使大部分乙醇挥发，再在50℃的真空箱中抽真空烘2h，研磨后备用，纳米氮化铝的改性过程为：用磷酸进行纳米氮化铝粒子表面酸洗，引入长分子链的有机物或无机酸做表面改性成分，有效的高深啊并限制氮化铝水解，随后用偶联剂对纳米氮化铝粒子表面进行改性处理，偶联剂为γ氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂；
S2：取40～60ml的二甲基乙酰氨放入三口烧瓶中，加入2～3g二胺，超声搅拌30min，随后分批量的加入二酐，待溶液粘度变大并出现爬杆现象后，制得聚酰亚胺的预聚体聚酰胺酸，待二甲基乙酰氨与二胺完全溶解后添加二酐；
S3：将制备好的聚酰亚胺的预聚体聚酰胺酸与经过改性后的纳米氮化铝一同加入砂磨机中，进行高速研磨16～20h，得到氮化铝与聚酰亚胺的混合胶液，砂磨机中放入大小不等的玛瑙珠进行辅助研磨，并在研磨过程中通入冷凝水，防止研磨机内温度过高导致聚酰亚胺降解；
S4：将步骤S3中的混合胶液经过滤网过滤后，抽真空除去内部气泡，使用自动铺膜机在洁净的玻璃板上按照设计要求厚度铺膜，然后置于烘干箱中进行亚胺化，烘干箱的温度为60～80℃，烘干采用温度梯度升温的方式，其升温速率为5℃/min，铺膜的厚度采用多次旋涂的方式加以控制；
S5：亚胺化完成后从烘干箱中取出玻璃板，在蒸馏水中浸泡0.5～1h，进行脱膜，晾干后制得成品。
结构与性能测试
采用发射扫描电镜对复合薄膜的断面形貌进行观察、采用热失重分析仪对薄膜的热分解温度进行测定(测试条件为氮气保护，升温速率为20℃/min)、采用耐压型测试仪测试薄膜的击穿场强、采用电子万能试验机测量薄膜的拉伸强度和断裂伸长率；
通过观察复合薄膜的断面扫描电镜照片得知，复合薄膜内部的氮化铝粒子平均粒径小，断面上无明显的团聚现象，分析认为：在砂磨机中，氮化铝粉末不断受到玛瑙球的高能冲击，实现反复破裂作用，最终形成细小均匀的颗粒，同时由于聚酰亚胺和氮化铝粉末的延展性相差较大，氮化铝粉末被破裂、分散后，被延展性较好的聚酰亚胺的预聚体聚酰胺酸捕获，随后球磨的进行粉末变得更细小、更分散；
通过对薄膜的热分解温度进行测定结构得知：随着氮化铝含量的增加，复合薄膜的热分解温度不断提高，当氮化铝含量为6％时，薄膜的热分解温度达到最大，但是当氮化铝的含量继续增加时，薄膜的分解温度反而下降，分析认为，在一定的掺杂量范围内，随着氮化铝含量的增加，氮化铝自身或氮化铝与复合薄膜间形成相互贯穿的网格结构，这种结构有利于热量的传导和散失，所以在氮化铝含量小于6％时，薄膜的热分解温度逐渐提高，当氮化铝的含量大于6％时，复合薄膜的有序度被严重破坏，薄膜的热分解开始下降；
通过对测试薄膜的击穿强度结果得知：随着氮化铝含量的增加，复合薄膜的击穿强度逐渐下降，当氮化铝的掺杂含量为8％时，薄膜的击穿场强又逐渐升高，分析认为，这是由于纳米氮化铝形成了均匀的网格结构，一方面使得电子运输容易很多，另一方面对于局部放电过程中产生的热量有很好的传导作用，并同时证实了氮化铝对薄膜有很好的传导作用；
根据测量薄膜的拉伸强度和断裂伸长率得知：随着掺杂纳米氮化铝含量的增加，复合薄膜的拉伸强度与断裂伸长率逐渐下降，分析认为，随着掺杂纳米氮化铝含量的增加，纳米氮化铝粒子相互碰撞的几率增加，团聚倾向增大，使其与复合薄膜的相容性变差，削弱了无机粒子的纳米效应，其次这些无机小分子的引入相当于引入杂质，形成较多的缺陷，降低了薄膜分子链之间的相互作用力，使其拉伸强度与断裂伸长率下降。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种碳微纳米材料与氮化铝的复合薄膜的制备方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：
S1：将一定量的纳米氮化铝加入到乙醇/水的混合溶液中，超声搅拌60min后形成均一的白色悬浊液，将此悬浊液放置在磁力搅拌上，常温搅拌2h，在此过程中，分批加入一定量的偶联剂进行改性，随后将改性好的纳米氮化铝的乙醇/水混合溶液放置在通风环境中，使大部分乙醇挥发，再在50℃的真空箱中抽真空烘2h，研磨后备用；
S2：取40～60ml的二甲基乙酰氨放入三口烧瓶中，加入2～3g二胺，超声搅拌30min，随后分批量的加入二酐，待溶液粘度变大并出现爬杆现象后，制得聚酰亚胺的预聚体聚酰胺酸；
S3：将制备好的聚酰亚胺的预聚体聚酰胺酸与经过改性后的纳米氮化铝一同加入砂磨机中，进行高速研磨16～20h，得到氮化铝与聚酰亚胺的混合胶液；
S4：将步骤S3中的混合胶液经过滤网过滤后，抽真空除去内部气泡，使用自动铺膜机在洁净的玻璃板上按照设计要求厚度铺膜，然后置于烘干箱中进行亚胺化；
S5：亚胺化完成后从烘干箱中取出玻璃板，在蒸馏水中浸泡0.5～1h，进行脱膜，晾干后制得成品。
2.根据权利要求1所述的一种碳微纳米材料与氮化铝的复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，纳米氮化铝的改性过程为：用磷酸进行纳米氮化铝粒子表面酸洗，引入长分子链的有机物或无机酸做表面改性成分，有效的高深啊并限制氮化铝水解，随后用偶联剂对纳米氮化铝粒子表面进行改性处理。
3.根据权利要求1所述的一种碳微纳米材料与氮化铝的复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，偶联剂为γ氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂。
4.根据权利要求1所述的一种碳微纳米材料与氮化铝的复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中，待二甲基乙酰氨与二胺完全溶解后添加二酐。
5.根据权利要求1所述的一种碳微纳米材料与氮化铝的复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中，砂磨机中放入大小不等的玛瑙珠进行辅助研磨，并在研磨过程中通入冷凝水，防止研磨机内温度过高导致聚酰亚胺降解。
6.根据权利要求1所述的一种碳微纳米材料与氮化铝的复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中，烘干箱的温度为60～80℃，烘干采用温度梯度升温的方式，其升温速率为5℃/min。
7.根据权利要求1所述的一种碳微纳米材料与氮化铝的复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中，铺膜的厚度采用多次旋涂的方式加以控制。
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