高性能热界面材料的制备与接触热阻实验研究

高性能热界面材料的制备与接触热阻实验研究高性能热界面材料的制备与接触热阻实验研究 硕士论文高性能热界面材料的制备与接触热阻实验研究thermal contactresi stancei ncreases 4 The heattransferperformance ofthe thermal i nterfacemateri als is relatednotonl yto the thermalconductivi ty butal sototheother factorssuch asthepropertyof thefi ll er the viscosi ty Key wordselectroni cscool i ng thermalcontact resi stance thermalinterfaci almateri alIII目录硕士论文目录摘要 IAbrstract II 目录 IV1Ii i i仑 11 1课题研究背景 11 2国 内外研究现状 21 3本论文的研究意义和 研究内容 51 3 1研究意义 51 3 2研究内容 62纳米铜 粉厕 氧树脂复合材料的制备与性能研究 72 1实验部分 72 1 1实验材料 72 1 2主要实验设备 72 2实 验过程 122 3性能测试 132 4结果与讨论 132 4 1纳米铜 环氧树脂复合材料的微观表面SEM测 试 132 4 2纳米铜 环氧树脂复合材料的导热系数 142 4 3纳米铜 环氧树脂复合材料的粘度 152 4 4纳米铜 环氧树脂复合材料对界面接触热阻的影响 162 5本章小结 173高导热碳基 环氧 树脂复合材料的制备与性台瞽研究 183 1实验部分 193 1 1实验材料 193 1 2实验设备 203 2实 验过程 203 2 1MWTs 环氧树脂复合 材料的制备 203 2 2碳纤维 环氧树脂复合材料的 制备 213 2 3鳞片状碳粉 环氧树脂复合材料的制 备 223 3性能测试 233 4结果与讨论 233 4 1MWTs 环氧树 脂复合材料的微观表面SEM测试 23I V硕士论文高性能热界面材料的制备与接触热阻实验研究3 4 2MWT s 环氧树脂复合材料的导热系数 253 4 3MWTs 环 氧树脂复合材料的粘度 263 4 4MWTs 环氧树脂复 合材料对界面接触热阻的影响 263 4 5碳纤维 环氧树脂 复合材料的微观表面SEM测试 273 4 6碳纤维 环氧树 脂复合材料的导热系数 283 4 7碳纤维 环氧树脂复 合材料的粘度 293 4 8碳纤维 环氧树脂复合材料 对界面接触热阻的影响 293 4 9鳞片状碳粉 环氧树脂复合 材料的微观表面SEM测试 303 4 10鳞片状碳粉 环氧树脂 复合材料的导热系数 3l3 4 11鳞片状碳粉 环氧树 脂复合材料的粘度 323 4 12鳞片状碳粉 环氧树脂复 合材料对界面接触热阻的影响 333 5本章小结 344高导热碳基 纳米铜厕氧树脂复合材料的制备 与性能研究 354 1实验部分 354 1 1实验材料 354 1 2实验设备 354 2实验过程 364 3性能 测试 374 4结果与讨论 384 4 1MWTs 纳米铜 环氧树脂复合材料的微观 表面SEM测试 384 4 2MWTs 纳米铜 环氧树脂复合材料的导 热系数 394 4 3MWTs 纳米铜 环氧树脂复合材料的粘度 394 4 4MWTs 纳米铜 j不氧树脂复合材料对界面接触 热阻的影响 404 4 5碳纤维 纳米铜 环氧树脂复合材料的微观 表面SEM测试 414 4 6碳纤维 纳米铜 环氧树脂复合材料的 导热系数 4l4 4 7碳纤维 纳米铜 环氧树脂复合材料的 粘度 424 4 8碳纤维 纳米铜 环氧树脂复合材料对界 面接触热阻的影响 434 4 9鳞片状碳粉 纳米铜 环氧树脂复 合材料的微观表面SEM测试 434 4 10鳞片状碳粉 纳米铜 环 氧树脂复合材料的导热系数 444 4 11鳞片状碳粉 纳米铜 环氧树脂复合材料的粘度 454 4 12鳞片状碳粉 纳米 铜 环氧树脂复合材料对界面接触热阻的影响 464 5本章小结 465Si c厕氧树脂复合材料的制备与性能研究 485 1实验 部分 48V目录硕士论文5 1 1实验材 料 485 1 2实验设备 485 2实验过程 495 3性能测试 505 4结果与讨论 505 4 1Si C 环氧树脂复合材料的微观表面SEM测试 505 4 2Si C 环氧树脂复合材料的导热系数 一 5l5 4 3Si C 环氧树脂复合材料的粘度 525 4 4si c 环氧树脂复合材料对界面接触热阻的影响 535 5本章小 结 536结论与展望 546 1结论 546 2展望 55致谢 56参考文献 57VI硕士论文高性能热界面材料的制备与接触热阻实验研 究1绪论随着微电子技术的发展 电子元器件的工作频率 组装密度 集成度不断提高 电子元器件和逻辑电路的体积急剧地缩小 致 使电子元器件的功率快速提高 由电子设备产生的热量也急剧增加 随着产热量的增加其工作环境温度不断升高 而过高温度将会影 响电子元器件的稳定性和可靠性 缩短其使用年限 由于大部分电子元器件的发热量首先需要通过导热的方式将热量从 电子元器件传递至散热片 然后可以通过任何便利的手段如对流或 辐射技术 如计算机CPU的风冷散热 水冷散热 液冷散热 冷却散热 片 由于电子设备对重量 空间和尺寸等的要求 接触界面换热能 力的提高具有重大的意义 电子设备与散热设备的连接过程是固体与固体的界面接触 实现接 触换热是很多电子散热的途径 例如发动机的冷却 集成电路芯片 的散热等 而此时加强固体界面间的接触换热具有重大意义 因此 如何提高接触界面的换热能力达到高效散热 保证具有高集 成度和高组装密度的电子元器件在一定的温度范围内稳定 可靠的 工作 成为现今研究的热点 微观上凹凸不平的两表面接触不够完全 致使接触界面产生接触热 阻 如图1 1tl J所示 存在于凹凸不平间隙间的空气对散热的传导能力有着很大的 影响 因为空气的导热系数只有0 02W m K 是热的不良导体 而即便采用较大的压力在两固体表面也无法使这些空隙消除 而且 有些电子元器件无法承受较大的压力 这样就会造成更大的间隙 也将严重阻碍电子元器件的热量传导给散热片 因此 如何缩小微观上凹凸不平的空隙 减小界面接触热阻 从而 提高接触界面换热能力的问题 成为目前解决微电子问题的关键 一 一 竺 赡爹囊垂F 1Ii蕊蒸纛i 1卜誊 1 一 一 图1 1热界面材料的使用图 1 采用导热介质来填 充两接触表面之间凹凸不平的空隙 如图1 1所示 减小界面接触 热阻 扩大两接触表面的接触面积 提高接触界面的换热能力 这类导热介质被学者1l绪论硕士论文俗称为热界面材料 Thermali nterfacematerials 简称TIM 如图1 2所示 当热界面材料填充到两粗糙面之间后 此时的接触 热阻主要包括两个部分 1 fi t热界面材料自身的导热系数和厚度形成的容积热阻 the bulk resistance oftheTIM R 2 14t热界面材料的上下端与粗糙表面形成的边界热阻 the boundaryresistance RR 2卅 由图可知 提高热界面材料的有效性 51 可以通过增大热界面材 料的导热系数来实现 也可以通过降低热界面材料的厚度 BLT 和边 界热阻尺 来实现 由上面接触热阻的组成部分可知 提高热界面材料的导热系数可以 减小容积热阻RR r 但是否能够同时改善热界面材料与粗糙表面之 间的边界热阻RR从而减小总的接触热阻 这需要进一步的研究和论 证 这主要是因为边界热阻RR的影响因素非常的复杂 这些影响因素不 仅包含热界面材料的导热系数 也包括基底的固体材料的表面形貌 和硬度 接触界面的压力载荷 热界面材料的浸润性 流动性和粘 度等 3 7J 盯 万fresi stance LoU皇 召口 y享 1 BLT妻 0j 享 Te劲 嘎pera ure 图1 2添加热界面材料后界面接触热阻的组成图 41综上所述 在微 电子领域的电子散热设计中 将热源与散热系统连接起来是通过热 界面材料来完成的 热界面材料能够将热源产生的热量尽快导出并 最终在散热系统中耗散掉 可见 热界面材料在整个散热系统中起到关键的作用 因此 热界 面材料是否具有高导热性能 是电子散热设计中重要的一步 目前 发展高性能的热界面材料刻不容缓 1 2国内外研究现状随着科技的发展 许多特殊场合要求热界面材 料具有优良的综合性能 如质量轻 2硕士论文高性能热界面材料的 制备与接触热阻实验研究耐腐蚀性强 电绝缘性优异 加工简单 抗冲击性能强等 而以往的热界面材料如金属 金属氧化物和非金属材料等却不具备 这样的优良的性能 具有导热和绝缘性能的聚合物复合材料因其综 合性能的优异且能够满足电子信息 化工 机械工程等领域的特殊 要求 使越来越多的国内外学者对其研究和开发 在聚合物中添加导热填料 是目前导热绝缘聚合物复合材料广泛应 用的一种形式 如具有导热性能的膏体 硅脂 垫片等 它们都是 把具有高导热性能的填料掺杂到低导热系数的矿物油 硅树脂 环 氧树脂等基体材料中 其中矿物油导热系数为0 13W m K 硅 树脂导热系数为O 18W m K 环氧树脂导热系数为O 18W m K 例 丁峰 9 等将铜粉和锡粉掺杂到环氧树脂中 研究填料对复合材料 的影响 实验发现 铜粉和锡粉的体积分数相同且超过30 的情况下 由于 铜粉的热导率比锡粉的热导率高 加入铜粉的复合材料导热系数的 变化比加入锡粉的复合材料导热系数的变化快 而当铜粉 直径为40 1am 609m 体积分数达到40 时 其导热系数为0 95W m K 汪雨狄等 l o 分别将粉体 纤维和晶须三种形态的AIN与超高分子量聚乙烯粉 料混合 采用平板硫化机进行模压固化 实验显示纤维形态的A1N添 加量为30 2wt 时 复合材料的导热系数为2 44W m K 在相 同的添加量情况下 添加晶须形态的AIN所得到复合材料的热导率最 大 其次是添加纤维形态的A1N的复合材料 最差的是添加粉体形态 的A1N的复合材料 Li uIn 等把质量分数为4 的碳纳米管掺杂到硅树脂中 所得的复合热 界面材料的热导率比硅树脂的热导率提高了65 Bi ercuk等 12J把不纯的单壁Ts掺杂到环氧树脂中 当质量含量为1wt 且温度在40K时 发现复合材料的导热系数比基体提高了70 Sampl e 13J等人 在xx年首次提出在界面上有序排列碳纳米管 也即碳纳 米管阵列 在很大程度上可提高界面材料的导热率 可有效降低界 面热阻 Huan9114j采用原位 in si tu 注入法把碳纳米管阵列添加到聚合物基体热界面材料中 发现碳 纳米管阵列的体积分数达到0 4 时 热界面材料T S160热导率是 1 21W m K 且界面总接触热阻为60删n2K W Amy l5J把碳纳米管阵列添加到环氧树脂基体中 当碳纳米管阵列 的体积分数达到16 7 时 可使基体材料的导热系数提高18 5倍 此时热界面材料的导热系数达到4 36W m K 李培德等 16 把聚丙烯粉末和鳞片石墨均匀混合并挤压制得复合 材料 所制得的复合材料导热系数最高可达2 4W m K 而此时 石墨的含量仅仅是30 井新利 l7j等把天然鳞片状的石墨填充到EP中 研究所制得复合材 料的导热性和力学性 发现当将几种不同细度的石墨搭配使用时可 以改善加工工艺 而这种结果比单独使用过粗或过细的石墨更好 同时也会发现材料的导热性能也更优 这是因为石墨采用l绪论硕士 论文不同细度进行搭配 可以达到更致密的堆砌方式 能提高导热 系数 利用这种方法可以使复合材料的导热系数达到10W m K 相比基 体EP的导热系数提高了近50倍 而此时石墨的含量仅仅是60 Xu 18J等人研究的以环氧树脂为基体 以氮化铝和氮化硅为填料 其中以不同粒径氮化铝的掺杂 导热率可以达到11 5W m K Hatsuo 19J制作了BN PB复合材料 并研究其导热性及力学性能 实验发现 BN PB复合材料可以实现大份额的填充 这主要是因为 高导热性能的BN容易混合到具有低粘度的A阶PB树脂中 复合材料中 BN的质量含量可高达88 可获得32 5W m K 的复合材料 文 中的SEM观测表明 质量分数达到88 时 复合材料内部形成了导热 网链 BN与PB两界面间能够良好结合 致使界面接触热阻减小 文中还研究了热导率 填充密度受BN粒子尺寸的影响 此外 还研 究了A1N 酚醛的导热性能 发现A1N掺杂到酚醛中的最大体积填充 量为78 5 此时A1N 酚醛复合材料的导热系数为32 5W m K 张立群 20 等把几种导热填料不锈钢短纤维 片状石墨 短碳纤 维 铝粉 三氧化二铝粉掺杂到天然橡胶基体中 进而研究复合材 料的导热性能 力学性能 实验显示 这几种填料对橡胶导热性能的影响最大的是石墨 把石 墨质量份额加到50 时 可以获得1 13W m 目的复合材料 唐明明等 21 把A1203掺杂到丁苯橡胶 SBR 中 并研究表面处理 及粒子尺寸对复合材料性能的影响 实验发现 虽然SBR的导热系数 随着微米A1203填充份额的增加而不断增大 但是这也导致材料更不 易加工且力学性能降低 导热橡胶中微米A1203是否采用偶联剂 如 硅烷和钛酸脂偶联剂 处理 不会严重的影响复合材料的导热性能 在相同填充量下 A1203的尺寸越小导热橡胶的导热性能和力学性能 越好 如纳米级的比微米级的更好 李良波等 22 把300目的石墨粉与CPVC 氯含量65 混合搅拌均匀 制备导热材料 试验中把石墨含量增加到20份 可以获得导热系数1 9W m K 的复合材料 当在复合材料中添加一定份额的CPE时 可以提高材料的抗冲击性能 在日本三洋电机申请的专利中 231 导热有机材料的制作是通过在 尼龙12有机体中加入一定量的石墨 鳞片状 粉末状 和一定量的碳 纤维来完成的 Tasl li o 24 把3 的晶须形态的石墨和4 5 的粉末状态的石墨以及4 5 的碳纤维 加入到三氟乙烯 四氟乙烯共聚物中 采用压延的制 膜法 可获得热导率为0 48W m K 的膜片状复合材料 汪倩等人口51在研究室温硫化硅橡胶的热导率时 提出可以通过对 硅橡胶内的导热填料的堆积密度和模型的设计以及计算来确定合理 的填料品种 粒径及其分布 所制得的复合热界面材料的导热系数 高达1 3 2 5W m K 4硕士论文高性能热界面材料的制备与接触热阻实验研究钱欣等人 26 把石墨混合搅拌进改性酚醛树脂中时 通过实验研究分析发现 在石墨含量不是很高时 即50 60 时 石墨的含量虽然能增大 材料的热导率 但是效果并不是很显著 若将石墨的含量增加到60 80 这时候石墨的含量使材料热导率明显大幅度的增加 继 续增加石墨的含量 材料的热导率增幅很小 基本保持不变 这是因为石墨含量在50 一60 时 复合材料里面的树脂仍然是主 要部分 虽然石墨含量在不断提高 能够降低石墨颗粒粘接面树脂 层的厚度 但不能减小导热网络中树脂粘结面网络的整体密度 造 成热导率的变化较小 石墨含量增加到60 80 时 可明显降低 导热网络中树脂粘结面网络的整体密度 进而提高了石墨与石墨的 接触面积 就能够大幅度增加材料的热导率 若继续不断增加石墨 的含量 这时候影响材料的热导率就会有两种因素首先是随着树脂 粘结面的网络不断受到破坏 材料的热导率不断增加 同时一部分 的无树脂粘结的石墨间隙由于空气的填充 就会造成热导率减小 当这两种因素综合作用时 就会造成此时虽然石墨的含量很高 但 是整体材料的热导率增加不是很显著 陶国良127J将胶体石墨和不同粒径的铝粉分别掺杂到聚丙烯 PP 中 使用开练机进行混合 并在破碎机内进行造粒 制得的复合材料 通过实验的研究分析发现石墨的质量份额低于25 时 由于复合材 料内部以聚丙烯为主 石墨在复合材料内部是孤立的 呈海岛结构 导热网络中石墨的密度比较小 虽然随着石墨含量的增加热导率 会增大 但是增幅很小 含量大于25 时 导热网络中石墨的密度 增大热导率增幅很大 实验还发现 铝粉的质量含量的增加对复合材料热导率的影响出现 类似的情形 1 3本论文的研究意义和研究内容1 3 1研究意义在制作复合热界 面材料以后 大多数学者都是研究复合热界面材料的热导率 导电 性能 力学性能 流动性能 拉伸强度等 鲜有学者研究复合热界 面材料对两固体界面接触热阻的影响 本论文不仅研究复合热界面 材料的导热性能 流动性能 同时也将深入研究复合热界面材料涂 抹两固体界面后的接触热阻 近年来很多学者报道了把金属粉 如银等 导热无机填料 如石墨等 高导热性纤维 如碳纤维等 等掺杂在聚烯烃 PP PE 聚四氟乙 烯 PTFE 等材料中对其导热性能进行改进 提高材料的导热系数 而金属铜在300K时的导热系数为400W m K 因其具有较高的仅 次于银的热导率以及较好的弹塑性能也被广泛应用于很多需要强化 传热的场合 然而很少有文献报道通过把MWTs 纳米铜颗粒 碳纤 维 鳞片状碳粉 Si C以及它们的混合物添加到环氧树脂基体材料中 研究复合材料的热 导率和界面传热性能 同时 当采用不同种类 不同形状的颗粒作为导热填料时 很少有 报道把某种颗粒与环氧树脂混合均匀后的复合材料作为基体 本文 采用先把纳米铜与环氧树脂混合均匀 然后以纳米铜质量份额为40 l绪论硕士论文的纳米铜 环氧树脂复合材料为基体 把MWTs 碳 纤维 鳞片状碳粉掺杂其中 进而制备高导热性能的复合热界面材 料 如图1 3所示 当MWTs 碳纤维 鳞片状碳粉与纳米铜共同掺杂到 环氧树脂中时 可以使复合材料内部形成更好的导热网络 提高导 热性能 a b c 图1 3不同形状的颗粒填充后基体内导热网络的变化 a b c 分别为具有纳米铜填料的复合材料 具有纳米铜和碳纤 维或MWTs的复合材料 具有纳米铜和鳞片状碳粉的复合材料1 3 2 研究内容本论文的目的是通过实验研究把纳米铜颗粒 MWTs Si C 碳纤维 纳米鳞片状碳粉以及它们的混合物添加到环氧树脂基体 材料中 制备出相应的复合热界面材料 采用SEM电镜观察复合热界面材料的微观形貌 研究材料的微观结构 特征对界面传热性能的影响 测量复合热界面材料的导热系数和粘 度 测量涂抹热界面材料后两固体界面的接触热阻 研究它们对界 面传热性能的影响 具体的实验内容如下 1 研究不同质量份额的纳米铜颗粒掺杂环氧树脂基体中 对复合材 料导热性能和流动性能的影响 将复合热界面材料涂抹在两固体界 面间之后 对界面接触热阻的影响 2 研究高导热碳基材料如多壁碳纳米管 气相生长的碳纤维 鳞片 状碳粉作为导热填料时 不同质量份额的填料掺杂环氧树脂基体内 时 对复合材料导热性能和流动性能的影响 将复合热界面材料涂 抹在两固体界面间之后 对界面接触热阻的影响 3 研究以40wt 的纳米铜 环氧树脂为基体 以高导热碳基材料如 多壁碳纳米管 气相生长的碳纤维 鳞片状碳粉为导热填料时 高 导热碳基材料质量份额不同时 对复合材料导热性能和流动性能的 影响 将复合热界面材料涂抹在两固体界面间之后 对界面接触热 阻的影响 4 研究采用偶联剂对Si C表面进行处理后和处理前 所制备Si C 环氧树脂复合材料的导热性能的改变 探讨偶联剂对复合材料导 热性能的影响 并研究复合材料流动性能的改变和界面接触热阻的 改变 探讨偶联剂对复合材料流动性能和界面接触热阻的影响 6硕士论文高性能热界面材料的制备与接触热阻实验研究2纳米铜粉 环氧树脂复合材料的制备与性能研究复合热界面材料应用与电子 设备中 既要满足绝缘的条件又要满足高导热的条件 同时也要满 足在高真空度太空环境下安全使用的条件 环氧树脂因其良好的电学 热学 机械和物理性能 被选作最佳复 合热界面材料的基体材料 同时因其价格低廉 使得以其为基体的 热界面材料广泛地应用于电子封装领域 金属铜的导热系数常温下400W m K 左右 非常高 仅次于金属 银的导热系数 是热的良导体而且金属铜具有较好的金属弹塑性能 所以在本实验中被选为填充颗粒 本章采用纳米铜粉作为导热填充粒子 环氧树脂作为基体材料 制 备了纳米铜 环氧树脂复合材料 研究了不同含量的纳米铜粒子对 复合材料导热性能 粘度和界面接触热阻的影响 2 1实验部分2 1 1实验材料实验中 需要环氧树脂 固化剂 稀 释剂 纳米铜 丙酮 酒精等实验材料 具体实验材料的参数如表2 1所示表2 1制备纳米铜 环氧树脂复合材料所需实验材料名称纯度 备注厂 家环氧树脂98普要翌墼A杭州五会港胶粘剂有限公司E51型液态 一 一 固化剂65090聚酰胺树脂杭州五会港胶粘剂有限公司稀释剂92环牟 要箩丁杭州五会港胶粘剂有限公司660A基醚 一 一 纳 米铜99 99200孟二岫苏州长湖纳米科技有限公司丙酮99 5Acetone 江苏永华精细化学品有限公司酒精99 7 国药集团化学有限公司备 注其他实验制备所需化学药剂如硝酸和硫酸从上海凌峰化学试剂有 限公司采购 2 1 2主要实验设备实验中 采用精度达到十万分之一克的天平称 量各种实验材料 从而满足更精确的计量掺杂份额 该仪器为梅特 勒托利多的XS205型 如图2 1所示 实验中 为了使纳米铜粒子更均匀地分散到环氧树脂基体材料中 采用数控超声波清洗器和真空干燥箱 如图2 2所示 实验中采用实验室自制真空加热搅拌机 如图2 3所示 进行混合搅 拌所制备的材料 搅拌的过程中可以除去丙酮及其他小分子物质 72纳米铜粉 环氧树脂复合材料的制备与性能研究硕士论文图2 1 梅特勒托利多XS205型天平图2 2实验所需真空干燥箱图2 3真空加 热搅拌器本实验中分别测量复合热界面材料的热扩散系数 比热容 和密度 然后运用材料的导热系数与热扩散系数 比热容和密度的 关系来测量导热系数 公式如下兄 丁 口 丁 幸印 丁 木p 丁 2 1 实验中复合材料的热扩散系数采用德国耐驰公司的激光导热仪L FA447 如图2 4所示 硕士论文高性能热界面材料的制备与接触热阻实验研究蕊澄基瞄矗 曰嘲二函 盥越函 皇警目 瞄墨 画函 鼬 豳曩墨螭囊暖曩啦鼬蛹雕 孵嫩i冀图2 4 激光导热仪LFA447该仪器是采用闪光法直接测量热扩散系数 如图2 5所示 能量分布均匀的激光束由激光源发出后 部分能量被试样 所吸收 热量以导热的方式从下表面传到上表面 此时红外探测器 可以探测到上表面的温度变化 2引 通过公式倪 0 1388 d2 t d样品厚度 t半升温时间 2 2 选择 合适的数学模型 通过计算软件 计算出在温度T下的热扩散系数口 图2 5激光导热仪测试原理图比热容的测量采用梅特勒托利多公司 的差示扫描量热仪 Di fferential ScanningCal orimetry简称DSC 如图2 6所示 差示测量样品端和参比端之间的热流差 扫描通常的操作模式是温 度扫描或时间扫描 量热仪仪器测量热量或热流 92纳米铜粉 环氧树脂复合材料的制备与性能研究硕士论文图2 6 差不扫描量热仪本实验中采用差示扫描量热仪中的蓝宝石法来测量 即通过蓝宝石样品的比热容 从而计算出样品的比热容 公式如 下r 一旦堕pVP一痧 m ps 2 3 其中Cp是样品的比热容 m是样品质量 是样品的热流量 下表S表示蓝宝石 Sapphi re 样品的比热容 质量和热流 环氧树脂复合材料的粘度通过一台Brookfi eld的粘度计 型号DV IIIUl traRheometer 在主轴转速为5rpm时进行测量 环氧树脂复合材料试样的微观表面形貌是一台场发射电镜 FE SEM 型号S 4800 Hi tachi 进行观察拍摄的 环氧树脂复合材料试样的截面微观形貌在由FE SEM观察拍摄前 先 对其表面进行喷金处理 然后送到FE SEM里进行观察并拍照 如图2 7所示 分析填料在环氧树脂基体内的分布情况 10图2 7测试中的FE SEM冷冻电镜实物图硕士论文高性能热界面材 料的制备与接触热阻实验研究如图2 8所示 环氧树脂复合材料试 样的接触界面强化传热性能测试是由高精度接触热阻测试系统完成 的 测试试样放在两个标准材料热流量计之间 该原位测量系统是通过每格为l gm的千分表此时的测量值与没有添加任何热界面材料时的测量值相 减所得 经测试上下热流量计的热损失小于0 5 在接触界面压力不小于1 MPa时 其接触热阻测试重复性不确定度小于5 在接触界面压力为1MPa时 未添加任何热界面材料时 热流计干接 触时接触热阻为660ram2K W 实验中选用网目为500目 孔径约为249m 的不锈钢丝网把环氧树脂复 合材料试样用刮刀均匀刮涂在热流量计的接触表面 这样可以使涂 覆的厚度均匀 图2 8原位测量系统装置实物图环氧树脂复合材料试样的接触界面 强化传热性能测试的不确定度主要有a 温度校准 不确定度为士0 003 C b 传感器位置 不确定度为 59m c 加载压力 不确定度为土 O 2 d 试样截面积 不确定度为4 0 05 e 表面粗糙度及平面度 不确定度为4 2 f表面硬度 不确定度为士2 g 热损失 不确定度为4 0 5 h 试样厚度 不确定度为4 0 59m 在不考虑接触表面的硬度 粗糙度和平面度的不确定度前提下 试 样的接触界面强化传热性能测试的不确定度约2 综上所述 在实验过程中 制备样品需要天平 超声波清洗器 搅 拌机 干燥箱等仪器 分析样品需要激光导热仪 差示扫描量热仪 粘度计 扫描电镜等仪器 这些仪器的具体参数如表2 2所示鏊 鎏一嚣蠹2纳米铜粉 环氧树脂复合材料的制备与性能研究硕士论文 表2 2制备和分析纳米铜 环氧树脂的实验设备名称备注厂家高精度天平 超声波清洗器真空干燥箱真空加热搅拌机激光导热仪差示扫描量热 仪数显式粘度计XS205型DFZ一6020自制LFA447DSCDV二III VltraImeometer梅特勒 托利多国际贸易 上海 有限公司昆山超声 仪器有限公司上海索普仪器有限公司德国耐驰有限公司梅特勒一托 利多国际贸易 上海 有限公司场发射电镜FE SEMS 4800Hi tachi 高精度接触热阻测试系统实验室自制 2 2实验过程纳米铜 环氧树脂复合材料的制备流程如图2 9所示 1 将环氧树脂E51 618 与固化剂650在40 混合搅拌30mi ns 2 对冷冻后的铜纳米颗粒拆袋并进行真空干燥一段时间 3 将干燥后的铜纳米颗粒加入环氧树脂固化剂混合液体中 并加入 稀释剂搅拌研磨30mi ns 4 在混合液中加入适量丙酮并在50 C超声分散10mi ns 5 将混合液放入真空搅拌机中 调节真空抽吸速率和加热功率在70 C 缓慢搅拌并真空脱泡约6小时 12图2 9纳米铜 环氧树脂复合材料的制备流程硕士论文高性能热 界面材料的制备与接触热阻实验研究2 3性能测试 1 试样微观表面SEM测试 采用场发射电镜 FE SEM型号S 4800 Hi tachi 进行观察拍摄 2 导热性能的测试 分别采用耐驰公司的激光导热仪LFA447和梅特 勒托利多公司的差示扫描量热仪 DSC 和梅特勒托利多的天平测量复 合材料的热扩散系数 比热容和密度 利用公式2 T a T Cp r 木 p r 从而计算出复合材料的导热系数 3 粘度性能的测试 采用Brookfi eld的粘度计 型号为DV IIIVl traRheometer 在主轴转速为5rpm时进行测量 4 界面接触热阻测试 采用实验室自行搭建的接触界面强化传热性 能测试系统 进行界面接触热阻测试 2 4结果与讨论2 4 1纳米铜 环氧树脂复合材料的微观表面SEM 测试图2 10是纳米铜颗粒掺杂质量份额为50wt 和75wt 时的纳米 铜 环氧树脂复合材料试样微观表面形貌实物图 由图中可以看到 随着纳米铜质量份额的增加 纳米铜 环氧树脂复合材料内部的铜 颗粒相互连接形成的导热通路也逐渐增多 在复合材料内部形成的 导热通路越多 越有利于热量的传递 从而可以提高纳米铜 环氧 树脂复合材料的导热能力 同时从 b 图质量份额为75wt 的纳米铜 环氧树脂复合材料的形貌 图可以看出 纳米铜颗粒分布均匀 彼此之间相互接触形成导热网 链 a b 图2 10纳米铜 环氧树脂复合材料试样微观表面形貌的实物 图 a b 分别是纳米铜质量份额为50wt 和75wt 的复合材料的 形貌图2纳米铜粉 环氧树脂复合材料的制备与性能研究硕士论文2 4 2纳米铜仞 氧树脂复合材料的导热系数图2 11为纳米铜 环 氧树脂复合材料试样的导热系数随着纳米铜颗粒掺杂质量份额的变 化关系 由图可知 当在环氧树脂基体内掺杂10 的纳米铜粒子时 材料的 导热性能显著增加 此时的导热系数为0 61W m K 比环氧树脂 的导热系数0 18W m K 提高3 39倍 当纳米铜颗粒的填充量在 10 到50 之间时 复合材料的导热系数增幅较小 随后填充量的 增大使得导热系数显著增大 但是纳米铜颗粒的填充量在75 到80 时 导热系数的变化又趋于平缓 这主要是因为纳米铜颗粒的填充量在10 50 时 树脂含量依然很 多 大部分颗粒之间处于隔离的状态 复合热界面材料的热导率此 时由环氧树脂基体材料所决定 此时随着纳米铜填充量的增加 虽 然包裹着纳米铜颗粒的环氧树脂层厚度逐渐减小 但是导热网络中 环氧树脂粘接面网络密度几乎没有减小 所以导致复合热界面材料 的导热系数变化比较小 当纳米铜填充量在50 75 时 大量纳 米铜颗粒的填充 使得复合材料内部的环氧树脂粘接面网络密度下 降 纳米铜与纳米铜接触面积增加 而且有更多的纳米铜在没有树 脂的连接下彼此连接起来 所以纳米铜 环氧树脂复合材料的导热 系数增加的幅度较大 纳米铜填充量超过75wt 时 复合材料导热 系数的变化趋于平稳 主要是因为虽然导热网络中环氧树脂粘接面 网络密度的减小使复合材料导热系数增大 但是一部分纳米铜颗粒 摆脱环氧树脂层的包裹 彼此相连 其间的间隙充满了导热系数极 低的空气致使导热系数减小 在这两种影响的作用下 复合材料导 热系数的变化趋于平稳 这与王亮亮等 28 人的研究结果相类似 随着纳米铜颗粒含量的增加 颗粒之间开始出现接触的现象 形成 更多的导热通路 此时穿过复合材料的热流更多的是沿热阻很小的 由纳米铜颗粒组成的导热通路进行的 而不是由环氧树脂基组成的 高热阻通路 因此复合热界面材料的热导率显著增大 纳米铜颗粒掺杂质量份额在80wt 时的纳米铜 环氧树脂复合材料 试样导热系数达到最大 该最大导热系数值为1 21W m K 比环 氧树脂的导热系数 0 18W m r0 提高了6 72倍 14硕士论文高性能热界面材料的制备与接触热阻实验研究QE妻 糕 1I 田t 纳米铜的质量份额 埘 图2 11纳米铜 环氧树脂 复合材料试样的导热系数与纳米铜颗粒掺杂质量份额的变化关系2 4 3纳米铜厕 氧树脂复合材料的粘度图2 12为纳米铜 环氧树脂 复合材料试样的粘度随着纳米铜颗粒掺杂质量份额的变化关系 由图2 12可以看出 纳米铜 环氧树脂复合材料试样的粘度随着纳 米铜颗粒掺杂质量份额的增大而急剧增大 相应的流动性也大大减 弱 在纳米铜颗粒掺杂质量份额超过80wt 时 纳米铜 环氧树脂复合 材料已经呈现粘稠粉末状 其粘度也几乎和纳米铜粉相同 图2 13 a 为纳米铜颗粒掺杂质量份额81wt 时的复合材料实物图 而图2 13 b 为纳米铜颗粒掺杂质量份额60wt 时的复合材料实 物图 通过两幅图的对比可以清楚的看出 81wt 纳米铜 环氧树 脂出现块状体 已经无法进行混合搅拌 皱米铜的质量份额 岍 图2 12纳米铜冈氧树脂复合材料试样的粘 度与纳米铜颗粒掺杂质量份额的变化关系2纳米铜粉 环氧树脂复合 材料的制备与性能研究硕士论文 a b 图2 13纳米铜 环氧树脂复 合材料的实物图 a b 分别为纳米铜的含量为81wt 和60wt 的 纳米铜 环氧树脂复合材料2 4 4纳米铜罔 氧树脂复合材料对界 面接触热阻的影响图2 14涂抹纳米铜 环氧树脂复合材料后两固体 界面间的接触热阻与纳米铜颗粒掺杂质量份额的变化关系图2 14为 在界面接触压力为1MPa时 加入纳米铜颗粒质量份额不同的纳米铜 环氧树脂复合材料以后 两固体界面间的接触热阻随着纳米铜颗 粒掺杂质量份额的变化关系 在界面接触压力为1MPa时 两固体界面间干接触时的接触热阻为660 mm2K W 当把含有纳米铜质量份额为10wt 的纳米铜 环氧树脂复 合材料试样填充在两固体界面间时 在同样的界面接触压力1MPa下 两固体界面间的接触热阻减小到29 27mm2K W 降低22 5倍 把纳米铜颗粒质量份额不同的纳米铜 3环氧树脂复合材料试样加入 到两固体界面间时 通过界面接触热阻的测量系统测得界面接触热 阻的大小随着纳米铜颗粒掺杂质量份额的增加也呈现出近似线性减 小的趋势 如图2 14所示 添加纳米铜 环氧树脂复合材料的两固体界面间接 触热阻随着纳米铜颗粒掺杂质量份额的增加从29 27mm2刚W减小到1 0 46mm2K W 且纳米铜颗粒掺杂质量份额为80wt 时 虽然其粘度非常大会影响 复合材料与界面的接触质量 但是纳米铜具有优异的弹塑性能且颗 粒16硕士论文高性能热界面材料的制备与接触热阻实验研究也被基 体包裹着 在一定的压力下也能与界面接触良好 故此时两固体界 面间的接触热阻值达到最小值为10 46mm2K W 2 5本章小结本章以纳米铜为填料 以环氧树脂为基体 制备出不 同质量份额的纳米铜 环氧树脂复合热界面材料 观察了复合热界面材料的微观形貌 测量了复合热界面材料的导热 系数 粘度 并测量将其涂抹在两固体界面间时的接触热阻 纳米铜 环氧树脂复合热界面材料的导热性能随着纳米铜颗粒质量 份额的增加而增大 导热系数最高达到1 21W m K 将其涂抹在 两固体界面间时的接触热阻随着纳米铜质量份额的增加逐渐减小 界面传热性能越来越好 但其流动性能越来越差 随着纳米铜质量 份额的增加其粘度逐渐变大 173高导热碳基 环氧树脂复合材料的制备与性能研究硕士论文3高 导热碳基 环氧树脂复合材料的制备与性能研究碳元素自身电子分 布的特性决定了其具有较多的同素异形体 不同的碳材料其性能也 有很大的差异 碳材料的家族也日益壮大 家喻户晓的金刚石 炭黑 活性炭 石 墨 以及近年研发出来的碳纤维 碳纳米管 碳粉 石墨层间化合 物等 3 若碳材料的常温导热系数超过300W m 目 这类碳材 料可划入到高导热碳基功能材料中 3tJ 高导热碳基功能材料不仅热导率高于金属材料 而且质量轻盈 单 位密度的抗拉强度和弹性模量也大于金属材料 Chen等 32 把碳 纤维加入到环氧树脂中复合 常温下所得复合材料的热导率是铜的1 78倍 此时导热系数为695W m K 而复合材料的密度却小很 多 仅为1 489 cm3 铜的密度是复合材料密度的6 05倍 采用高导热碳基复合材料作为散热器件比采用铜等其他金属材料更 轻便 有利于复合材料应用于航天航空领域 如航天飞行器的表面 防护层的热结构材料 导弹和飞行器的鼻锥体等 3引 本论文对高导热碳基功能材料的研究主要是碳纤维 碳纳米管 鳞 片状碳粉 下面就近年来这三种材料的研究进展进行分别介绍 由于生长碳纤维的基体和方法的不同 碳纤维的种类也不同 生长 碳纤维的基体有聚丙烯腈 PAN 基和沥青基 另一种碳纤维是由气相 生长出来的p引 20世纪60年代 日本炭公司就制作出了聚丙烯腈基碳纤维 35 在工业上丙烯腈 PAN 基碳纤维的应用已经很成熟 3 21 碳纤维的热导率随着其中微晶的趋向度和结晶度增高而增大 高导 热率的碳纤维其模量也比较高 34 在沥青基碳纤维中存在石墨 单晶 这种结构的导热系数是铜的2 56倍 而丙烯腈 PAN 基碳纤 维中却没有这种结构 这就决定了丙烯腈 PAN 基碳纤维在导热和导 电方面比较弱 43小 气相生长的碳纤维 VGCF 生长的工艺简单 成本低廉 而且纤维直 径变化范围比较大 原料资源丰富 在未来气相生长的碳纤维具有 聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维无法企及的发展空间 4引 同时 经高温热处理后气相生长的碳纤维导热性能也远远超过其他 两种碳纤维 其导热系数是铜的3 23倍p2 而且由气相生长的碳纤维制成的复合材料的热导率也很高 如Chen 等在环氧树脂内掺杂气相生长的碳纤维制成的复合材料在室温下 热导率高达695W m k 生长丙烯腈 PAN 基碳纤维和沥青基碳纤维的成本比较高 如沥青基 碳纤维的价格高达2205美元 千克 通过与丙烯腈 PAN 基碳纤维和 沥青基碳纤维相比 气相生长的碳纤维的成本比较低 因此 综合 考虑碳纤维的成本和热导率 本论文选择气相生长的碳纤维作为研 究对象 目前纳米科技发展迅速 碳纳米管 Ts 的制备技术也取得了很大的 进步 碳纳米管 Ts I拘结构是单层或多层石墨片 在导热 导电以及力学 方面具有优异性能的石墨决定了碳纳米管也有同样的优异性能 301 Berbe