低溫、高導熱、電絕緣環氧樹脂納米複合材料製備工藝的製作方法
2023-12-09 08:04:56 2
專利名稱：低溫、高導熱、電絕緣環氧樹脂納米複合材料製備工藝的製作方法
技術領域：
本發明屬於納米複合材料技術領域，特別涉及到一種低溫、高導熱、電絕 緣環氧樹脂納米複合材料製備工藝。
背景技術：
低溫環氧樹脂是指在低溫環境下使用並具有足夠粘接強度和韌性的環氧樹
脂，低溫環境通常可指77K液氮、20K液氫、4K液氦等環境。
國防工業、航空航天技術以及超導技術的發展，對環氧樹脂的性能提出了 新的要求
① 較好的低溫粘接性能和韌性
低溫下良好的粘接性能和韌性是保證電子封裝、線圈浸漬等粘接效果的可 靠性的基礎，也是環氧樹脂在低溫下應用的前提；
② 較好的導熱性能
導熱性比較差是環氧樹脂在低溫領域應用的不利因素，欲使被封裝器件能 夠較快到達適用低溫，避免環氧樹脂層成為系統冷卻的瓶頸，必須提高環氧樹脂 的導熱率，如此才能進一步拓展其應用領域；
③ 優良的電絕緣性能
環氧樹脂的電絕緣性能一般都較好，體積電阻率在1012 10150 'cm量級， 提高環氧樹脂低溫韌性和導熱性的一個重要前提是不惡化其電絕緣性能，也只 有這樣才能保證被封裝電子設備乃至整個裝置平穩運行。
而目前市場上的環氧樹脂都有其固有的缺陷而無法在低溫領域應用 ，環氧 樹脂通常都具有優良的常溫衝擊韌性和電絕緣性能，當環氧樹脂用於低溫條件時會產生較大的熱應力集中，聚合物的鏈段往往會被凍結，由於冷收縮而導致 分子間未被佔據的空間大大減小，分子鏈段運動變得困難，從而導致低溫下環 氧樹脂固化物的抵抗裂紋擴展的能力也變差，即固化物的韌性變差，粘接性能 急劇降低；此外，較低的導熱率也制約著常規環氧樹脂在低溫領域的廣泛應用， 因此必須尋求途徑改善環氧樹脂的低溫韌性和熱導率，同時又要保證不惡化其 電絕緣性能。
發明內容
為克服上述背景技術條件下環氧樹脂低溫韌性差、導熱率低等不足之處， 本發明提供一種低溫、高導熱、電絕緣環氧樹脂納米複合材料製備工藝，採用 填充法在環氧樹脂基體中引入高導熱率納米陶瓷顆粒，通過對納米陶瓷顆粒的 表面改性解決了納米顆粒易團聚的問題，並通過高速攪拌和超聲波振蕩等方法 使得納米陶瓷顆粒在環氧樹脂中得到了均勻分散，解決了納米陶瓷顆粒在樹脂 中的沉降問題。此外，由於納米陶瓷顆粒對微裂紋的釘扎作用，複合材料體系 的衝擊韌性也得到了提高。同時所引入的納米陶瓷顆粒也具有較高的體積電阻 率，因此複合材料體系的體積電阻率仍然保持在較高的水平。
為了實現上述發明目的，本發明採用了如下技術方案-
所述的低溫、高導熱、電絕緣環氧樹脂納米複合材料製備工藝，先對納米 陶瓷顆粒進行表面處理，以克服納米陶瓷顆粒由於表面能高而易團聚的缺點， 利於納米填料在樹脂中的分散，然後通過高速攪拌與超聲波振蕩相結合的方法 來實現改性納米陶瓷顆粒在樹脂中的均勻分散，最後是環氧樹脂的固化；具體 步驟如下
1)納米陶瓷粉體的表面改性
將2 15重量份的,納米粒子加入到0. 1 5重量份的偶聯劑與20 60重量 份的有機溶劑中，通過500 2000轉/分的速度的高速剪切攪拌1 4小時將上 述溶液混合均勻，並通過超聲波振蕩0.5 4小時使得納米粉體均勻分散，然後將溶液邊攪拌邊加熱，直至溶劑揮發完畢，將改性後的納米粉體烘乾後研磨 待用；
2) 納米陶瓷粉體的均勻分散
將改性後的1 50重量份納米粉體加入到環氧樹脂40 80重量份、低分子 雙酚A環氧樹脂20 60重量份、液態芳香二胺10 50重量份的混合液中，在 500 2000轉/分的攪拌速度下攪拌1 4小時，將上述混合液混合均勻，並經 過超聲波振蕩1 3小時，使納米粉體在混合液中分散均勻；
3) 環氧樹脂的固化
將混合液倒入模具中進行固化，真空狀態時在60 8(TC保持18 24小時， 然後升溫至110 13(TC保持8 14小時，隨爐冷卻。
由於釆用了如上所述技術方案，本發明具有如下優越性-
1、 改性後複合材料體系的低溫及室溫熱導率都有所提高，以引入20wt% 納米填料的複合材料體系為例，相比Owt^納米填料其熱導率提高了 50%以上；
2、 改性後複合材料體系的衝擊韌性得到明顯改善，以引入20wt納米填料 的複合材料體系為例，相比Owt^納米填料其低溫衝擊韌性提高了 30%以上；
3、 改性後複合材料體系的熱膨脹係數呈下降趨勢，改性後的複合材料體 系與被浸漬對象如金屬材料的熱膨脹係數差距進一步縮小，以引入20wt納米填 料的複合材料體系為例，熱膨脹係數降低了 20%以上；
4、 改性後複合材料體系的電絕緣性能仍保持在較高的水平，以引入20wt 納米填料的複合材料體系為例，複合材料體系體積電阻率保持在10" Q ，cm量 級，且體積電阻率有小幅提高。
具體實施例方式
本發明的低溫、高導熱、電絕緣環氧樹脂納米複合材料製備工藝是先對納 米陶瓷顆粒進行表面處理，以克服納米陶瓷顆粒由於表面能高而易團聚的缺點， 利於納米填料在樹脂中的分散，然後通過高速攪拌與超聲波振蕩相結合的方法來實現改性納米陶瓷顆粒在樹脂中的均勻分散，最後是環氧樹脂的固化。具體
舉例如下
實施例1
1) 納米粉體改性
將10重量份的納米粒子加入到0. 8重量份的偶聯劑與40重量份的有機溶 劑中，通過1500轉/分的速度的高速剪切攪拌2小時，將上述溶液混合均勻， 並通過超聲波振蕩1小時使得納米粉體能夠均勻分散，然後將溶液邊攪拌邊加 熱，直至溶劑揮發完畢，將改性後的納米粉體烘乾後研磨待用；
2) 納米陶瓷粉體的均勻分散
將改性後的20重量份納米粉體加入到環氧樹脂40重量份、低分子雙酚A 環氧樹脂35重量份、液態芳香二胺25重量份的混合液中，在1500轉/分的攪 拌速度下攪拌2小時，將上述混合液混合均勻，並經過超聲波振蕩1小時，使納 米粉體在混合液中分散均勻；
3) 環氧樹脂的固化
將混合液倒入模具中進行固化，真空狀態時在7(TC保持20小時，然後升 溫至120。C保持10小時，隨爐冷卻。 實施例2
1) 納米粉體改性
將10重量份的納米粒子加入到0. 2重量份的偶聯劑與50重量份的有 機溶劑屮，通過2000轉/分的速度的高速剪切攪拌2小時，將卜.述溶液混 合均勻，並通過超聲波振蕩l小時，使得納米粉體能夠均勻分散，然後將溶 液邊攪拌邊加熱，直至溶劑揮發完畢，將改性後的納米粉體烘乾後研磨待 用'，
2) 納米陶瓷粉體的均勻分散
將改性後的20重量份'納米粉體加入到環氧樹脂50重量份、低分子雙 酚A環氧樹脂40重量份、液態芳香二胺增韌劑30重量份的混合液中，在500 2000轉/分的攪拌速度下攪拌2小時，將上述混合液混合均勻，並經 過超聲波振蕩1小時，使納米粉體在混合液中分散均勻； 3)環氧樹脂的固化
將混合液倒入模具中進行固化，真空狀態時在7(TC保持20小時，然 後升溫至115"C保持10小時，隨爐冷卻。 實施例3
1) 納米粉體改性
將10重量份的納米粒子加入到0. 1重量份的偶聯劑與50重量份的有 機溶劑中，通過2000轉/分的速度的高速剪切攪拌2小時，將上述溶液混 合均勻，並通過超聲波振蕩l小時，使得納米粉體能夠均勻分散，然後將溶 液邊攪拌邊加熱，直至溶劑揮發完畢，將改性後的納米粉體烘乾後研磨待 用；
2) 納米陶瓷粉體的均勻分散
將改性後的20重量份納米粉體加入到環氧樹脂70重量份、低分子雙 酚A環氧樹脂50重量份、液態芳香二胺增韌劑40重量份的混合液中，在 1500轉/分的攪拌速度下攪拌2小時,將上述混合液混合均勻，並經過超 聲波振蕩1小時，使納米粉體在混合液中分散均勻；
3) 環氧樹脂的固化
將混合液倒入模具中進行固化，真空狀態時在8(TC保持20小時，然 後升溫至130。C保持10小時，隨爐冷卻。
權利要求
1、一種低溫、高導熱、電絕緣環氧樹脂納米複合材料製備工藝，其特徵在於先對納米陶瓷顆粒進行表面處理，以克服納米陶瓷顆粒由於表面能高而易團聚的缺點，利於納米填料在樹脂中的分散，然後通過高速攪拌與超聲波振蕩相結合的方法來實現改性納米陶瓷顆粒在樹脂中的均勻分散，最後是環氧樹脂的固化；具體步驟如下1)納米陶瓷粉體的表面改性將2～15重量份的納米粒子加入到0.1～5重量份的偶聯劑與20～60重量份的有機溶劑中，通過500～2000轉/分的速度的高速剪切攪拌1～4小時將上述溶液混合均勻，並通過超聲波振蕩0.5～4小時使得納米粉體均勻分散，然後將溶液邊攪拌邊加熱，直至溶劑揮發完畢，將改性後的納米粉體烘乾後研磨待用；2)納米陶瓷粉體的均勻分散將改性後的1～50重量份納米粉體加入到環氧樹脂40～80重量份、低分子雙酚A環氧樹脂20～60重量份、液態芳香二胺10～50重量份的混合液中，在500～2000轉/分的攪拌速度下攪拌1～4小時，將上述混合液混合均勻，並經過超聲波振蕩1～3小時，使納米粉體在混合液中分散均勻；3)環氧樹脂的固化將混合液倒入模具中進行固化，真空狀態時在60～80℃保持18～24小時，然後升溫至110～130℃保持8～14小時，隨爐冷卻。
全文摘要
一種低溫、高導熱、電絕緣環氧樹脂納米複合材料製備工藝，採用填充法在環氧樹脂基體中引入高導熱率納米陶瓷顆粒，通過對納米陶瓷顆粒的表面改性解決了納米顆粒易團聚的問題，並通過高速攪拌和超聲波振蕩等方法使得納米陶瓷顆粒在環氧樹脂中得到了均勻分散，解決了納米陶瓷顆粒在樹脂中的沉降問題。此外，由於納米陶瓷顆粒對微裂紋的釘扎作用，複合材料體系的衝擊韌性也得到了提高。同時所引入的納米陶瓷顆粒也具有較高的體積電阻率，因此複合材料體系的體積電阻率仍然保持在較高的水平。
文檔編號H01B3/40GK101423651SQ20071018989
公開日2009年5月6日 申請日期2007年11月2日 優先權日2007年11月2日
發明者嶽 王, 王德義, 謝述鋒 申請人:中國船舶重工集團公司第七二五研究所