ABSBN复合材料的制备与性能研究

）第页题目：ABS/BN复合材料的制备与性能研究摘要采用填充法制备了\t"/item/ABS%E5%A1%91%E6%96%99/_blank"丙烯腈-\t"/item/ABS%E5%A1%91%E6%96%99/_blank"丁二烯-\t"/item/ABS%E5%A1%91%E6%96%99/_blank"苯乙烯(ABS)树脂/氮化硼(BN)复合材料(ABS/BN)，通过测定复合材料的硬度，抗拉强度，断裂伸长率，冲击强度和导热性能，研究了BN材料的添加量对ABS/BN复合材料的影响。最终结果表明，BN材料在ABS基体中发生了取向，当BN材料的质量分数为5%时，硬度，抗拉强度，断裂伸长率都是最高的。当BN材料的质量分数为15%时，复合材料的导热率从0.22W/（m·k）增加到了0.50W/（m·k）。得到了非常高的提升，ABS/BN材料有望于应用在家电和汽车外壳上。关键词：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯；氮化硼；导热；复合材料AbstractAcrylonitrile-butadiene-styrene(ABS)resin/boronnitride(BN)compositematerial(ABS/BN)waspreparedbyfillingmethod,bymeasuringthehardness,tensilestrength,elongationatbreak,impactstrengthandthermalconductivityofthecomposite,theeffectoftheamountofBNaddedontheABS/BNcompositewasstudied.ThefinalresultshowsthattheBNmaterialisorientedintheABSmatrix.WhenthemassfractionoftheBNmaterialis5%,thehardness,tensilestrengthandelongationatbreakarethehighest.WhenthemassfractionofBNmaterialis15%,thethermalconductivityofthecompositematerialincreasesfrom0.22W/(m·k)to0.50W/(m·k).Averyhighlevelofimprovementhasbeenachieved,andABS/BNmaterialsareexpectedtobeusedinhomeappliancesandcarshells.KeyWords:Acrylonitrile-butadiene-styrene；Boronnitride；Heatconduction；Compositematerial

目录TOC\o"1-3"\h\u引言 1第1章绪论 51.1课题背景及研究意义 51.2导热材料的研究发展及现状 61.2.1

金属基导热材料 61.2.2

陶瓷导热材料 61.2.3导热高分子材料 61.3导热高分子复合材料的类型 71.3.1本征型导热高分子复合材料 71.3.2填充型导热高分子复合材料 81.4影响高分子复合材料性能的因素 91.4.1复合材料的制备方式 91.4.2填料的种类 91.4.3填料的表面改性 101.5丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物 111.5.1丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物复合材料的应用 111.6氮化硼 121.6.1氮化硼纳米片的制备 121.7本课题的研究内容 13第2章ABS/BN复合材料的制备与性能研究 142.1引言 142.2实验部分 142.2.1实验原材料以及设备 142.2.2实验流程 152.2.3实验具体步骤 162.2.4ABS/BN复合材料的性能测试与表征 182.2.5BNNS导热填料XRD测试 21第3章结果与讨论 223.1不同球料比对BNNS片层间距的影响 223.2不同BN含量对于ABS/BN复合材料力学性能的影响 233.2.1硬度 233.2.2抗拉强度 243.2.3断裂伸长率 253.2.4冲击强度 263.3ABS/BN复合材料的导热性能 27第4章结论与展望 294.1结论 294.2展望 29参考文献 30致谢 33绪论1.1课题背景及研究意义目前在高速发展的科技中，高分子材料的应用范围也将会是越来越广泛了，不仅在智能的电子设备、普通家电、汽车零件工业方面有所应用，还在航空航天等高新技术领域有着广阔的应用，由于电子元器件做的越小越好，那么集成密度和运作功率密度就会不断的提高，电子器件的发热量越来越多[1]。那么如何有效的散热就成了问题的关键，所以这就导致有很多优异的导热性能高分子进入到了科研人员的研究范围之中。目前研究的高导热材料种类还是比较繁多的，主要根据材料种类可以分为以下三大类，分别是：金属基导热材料、陶瓷导热材料和聚合物基导热材料a[2]。但是这些材料或多或少都有一些缺陷，不能百分百的满足应用在各个方面上。比如金属，这是非常传统的导热材料，但是金属有一个非常大的缺陷就是，不能耐腐蚀，就算在空气中也会与空气中的氧气、水发生氧化反应，不能达到持久的效果。而且金属的成本很高，又不能长久的保存，这就会造成很大的损失。石墨材料倒是可以很好的保存，具有非常强的稳定性，而且可以导热，但是石墨导电，不绝缘，所以这也就很大的限制了石墨材料的应用。这时候大家就想到了陶瓷材料，陶瓷材料既导热，又绝缘，是非常好的选择，但是陶瓷有一个非常大的弊端，那就是易脆。很容易的就碎了。这时候大家就把目光转移到了高分子上。质量轻，便宜，加工方便，并且具有非常好的力学性能，抗腐蚀性很强，还有绝缘性能。但是高分子也有缺点，万事万物不能达到完美，高分子材料大部分都不是很好的导热材料。高分子的内部几乎都达到了饱和体系，它们的内部几乎没有可以自由移动的电子，这就没有办法很好的传递热量。早在几十年前广大的研究者们，就把目光移向了导热高分子复合材料上。导热高分子导热的主要原理就是，复合材料内部能够形成专门的导热通道利于导热，并且还拥有着非常大的导热网络形成一种共轭体系[3]。这就是使得导热高分子复合材料的关注度逐渐提高。研究出性能优异，且用途广泛的导热高分子复合材料将会使得我国的经济和科技都会有非常大的突破。本文通过在ABS基体中加入六方氮化硼，研究在相同量的ABS中添加不同比例的BN对复合材料会有怎么的性能改变，从而找到最佳的ABS与BN的配比，制备出不能在力学性能上优异，在导热性能上也十分优异的导热高分子复合材料。1.2导热材料的研究发展及现状1.2.1

金属基导热材料传统的导热材料一般为金属材料,最开始人们研究的导热材料就是金属，在我国金属基的导热材料还是有很多的。电子技术拥有着高功率，运作的时候高频率，形状微型化，而且功能集成化日渐加速[4]，一般都会采用加入其他材料形成复合材料改善金属的导热性能。孙璞杰[5]采用液相法制成复合材料，主要利用TiC改性的CEG然后与铜通过液相浸渍后热压的方法来制备石墨/铜复合材料,这样可以有效的改善膨胀石墨与铜的界面相容性,增加了界面相容性就变相的提高复合材料的热导率。Yu[6]采用的是有限元方法对SiCp／Al复合材料进行分析，先进行传热数值的模拟,得到了一个非常的结果，双粒径颗粒配比复合材料的热导率会随着粗颗粒比例的增大而上升，这个发现对导热高分子材料的研究更近了一步。随着工业生产和科学技术的发展,许多情况下金属材料已不能满足使用要求，金属材料的重量大和成本高导致了人们不得不选取其他的导热材料。1.2.2

陶瓷导热材料陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体与各种高分子材料复合的一种复合材料。陶瓷具备有许多优异的性能，比如耐高温、高强度等。程卫华[7]采用的是热压烧结工艺，用来制备了AlN-TiC复相陶瓷，他们研究发现在TiC含量为10％时,在随着温度的不断升高的同时，AlN-TiC复相陶瓷的热导率也随之增加，从最开始的仅为59.8W/（m·K）增加到了高达83.6W/（m·K）.其他的研究表明，加入不同含量的导热材料会改变陶瓷的导热性能，比如单水维[8]研究发现，在立方相YSZ陶瓷材料加入Y20，YSZ陶瓷材料的热扩散系数会随着Y20的摩尔分数的增大而逐渐降低，并且随着温度的升高材料的热扩散系数还会继续的逐渐降低，最终在高于1200℃时，热扩散率的降低趋势才得到减缓。加入不同含量的AlN也会改变陶瓷的导热性能，AlN/Al2O3基复合材料的导热性能随AlN含量的增加呈现先增大后减小的有规律变化,会有波峰的情况出现[9-11]。陶瓷的制作工艺难度系数比较大，而且性价比不高。1.2.3导热高分子材料导热高分子材料简单的说就是具有很强的导热率的高分子材料，导热高分子材料由于其耐腐蚀性好、价格便宜、轻质和易加工成型等优点在化工、能源、电子器件散热、电子信息、电气工程和航空航天等领域具有潜在的应用前景。什么是高分子材料？就是以高分子化合物作为基体的材料。现实生活中有很多的物质都是高分子材料，比如有塑料，橡胶，纤维等。这些通常都是以加入高导热的其他材料作为导热介质，从而制备出高导热的高分子复合材料[12]。复合材料的热导率很大的因素是取决于其形态。高分子材料的导热性能不佳，就是因为无定形域让复合材料内部趋于局部化导致低热导率。因此改善复合材料分子内部的对齐方式就可以提高复合材料的热导率[13-14]。尽管现在对导热高分子材料有了许多深入的研究，但是研究进度却是十分的缓慢，依然有着许许多多的问题需要解决。比如:填料与基体产生团聚，或者不相容的情况。这其中任一情况都会影响材料的性能降低。解决这一问题，将会实现在导热高分子复合材料这一领域的巨大突破。1.3导热高分子复合材料的类型根据导热高分子制备工艺的大致可以将导热高分子分为两大类型：本征型和填充型。1.3.1本征型导热高分子复合材料本征型导热高分子的制备工艺相比之下比较困难繁琐，难度系数也比较大，而且成本还很高。但是优点也很明显，不仅可以获得高热导率还能具备非常良好的力学性能、电学性能以及其它性能。本征型导热高分子的热导率主要来自其内部，在一定条件下形成的微观高度有序结构。高分子的导热基本上是由声子来导热，大多数的高分子材料都具有缺陷，内部分子的振动以及晶格振动不协调，因此不能很好的利用声子作为导热载体，达到高导热的效果。Takezawa[15]等用合成和提纯出的两种环氧单体，然后用芳香二胺作为固化剂进行热固化。研究结果表明了通过提高高有序结构，抑制了声子的散射，最终达到提高绝缘树脂的热导率。日本的环氧树脂公司生产的一种含联苯型结构的液晶环氧树脂，最初分子是取向无序的状态，在150℃的聚合温度下形成了取向有序的状态。并且材料的热导率超过了10W/（m·K），在很多电子领域都可以应用[16]。表1-1列出了常见的高分子导热系数。“表1-1”高分子材料导热系数W/（m·k）丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）0.2256聚碳酸酯（PC）0.189高密度聚乙烯（PP）0.147聚丙烯（PE）0.461尼龙（PA）填充型导热高分子复合材料填充型导热高分子复合材料，顾名思义就是通过在高分子材料基体中填充具有高导热率的材料，然后通过各种物理化学方法，使其合成具有高导热性能的高分子材料。高分子材料大部分都是饱和的体系，其内部没有能够自由移动的电子，所以其导热的能力主要是通过声子来传递，而声子传递热能的能力强弱是由声子的散乱程度来控制的。在工业上，通常的填充材料选择金属和碳材料，比如，铜，银，石墨等材料。金属的导热性能是非常好的，很容易就能让人联想到，想到了人们就回去做。Luyt[17]就研究了通过不同含量的铜粉对线型低密度聚乙烯导热性能、力学性能的影响。最终研究结果显示金属铜粒子促进了聚乙烯的结晶，在铜粉的体积分数达到24％时，热导率得到了最大的提升。Tu[18]等将导热率高和层状结构的石墨与聚苯乙烯（PS）复合，制备成复合材料，研究结果显示，当石墨体积分数达到34％时，复合材料的热导率提高到了1.95W/（m·K）。本文也是采用的填充的方法，以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）为基体，氮化硼为填充材料制备具有高导热率的复合材料，研究h-BN填料量对复合材料整体性能的影响。表1-2为常见的导热材料热导率。“表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s12”填料材料25℃下的热导率（W/mK）Ag417Cu389Al240石墨209碳纳米管（MWCNTs）2000-6000MgO36BN2901.4影响高分子复合材料性能的因素1.4.1复合材料的制备方式材料的导热性能不仅与材料基体的本身性能有关，也与填料的性能有关。并且填料在基体中的分散情况是对复合材料热导率的主要影响。如何有效的控制填料的分散情况就由制备方式来决定。有很多种复合材料的制备方法，比如熔融共混还有粉末共混等。熔融共混，又称熔体共混。将共混所需的聚合物组分在它们的黏流温度以上用混炼设备制取均匀聚合物共熔体，然后再冷却、粉碎或造粒的方法。设备主要有双辊混炼机、密闭式混炼机、挤出机等。该法的优点是对原料在粒度大小和均一性方面的要求不像干粉共混法那样严格，所以原料准备操作较简单。熔融状态下，异种聚合物分子之间打散和对流激化，加之混炼设备的强剪切作用，使得混合效果显著高于干粉共混，此外，它可能形成一部分接枝或嵌段共聚物，从而促进组分间的相容。雷学博[19]等通过熔融共混法制备了氧化石墨烯-热塑性聚氨酯复合材料，研究熔融共混法对TPU复合材料的力学性能和热性能有着什么显著的提升。采用XRD分析，红外分析，SEM电镜扫描对比分析得到，用熔融共混法有效的增加了GO的层间距，以及1227与GO的表面存在着非共价作用。分散性能测试发现1227可以非常有效的改变氧化石墨烯的分散性。最终得出采用了熔融共混法之后的1227-GO在TPU中有着非常好的分散性，二十能够有效的改变TPU的热稳定性能。粉末共混，经过研究表明，这种方式能够提高材料的导热性能，并且也能够保存住材料的介电性。但是这种方法对原料的尺寸有着很高的要求，粒径很小，必须是细粉状，而且混合温度不宜过高，高了容易粘结，不易流动，分散不来形成团聚，最终无法得到理想的效果。1.4.2填料的种类不同的填料种类也会对基体产生不一样的性能改变，目前比较常用的填料有金属填料，碳系填料和陶瓷填料。Yu[20]等用银纳米线填充环氧树脂，来提高环氧树脂的热导率，实验结果表明，当采用50份的银纳米线时，环氧基体的的导热通路就在内部成功的形成了，并且热导率达到惊人的7.99W/（m·K）。金属是非常传统的导热材料，在复合材料上也有些很大的用途。Noh[21]等用石墨烯纳米片当填料，加入到树脂基体中，发现了石墨烯纳米片不仅仅对树脂材料的热导率有着提高，它们之间存在的是协同作用。采用15％的GNP和5％的PCF制备出的复合材料，热导率提高了183％，这是相当大的提升。当GNP与PCF采用最合适的填充比例时，它们之间的协同作用将会达到最大，复合材料的热导率也会提升到最大，这将会是一个非常大的突破。一说到陶瓷填料，那么一定会想到，被称为“白色石墨”的六方氮化硼，这是陶瓷填料中最常见的材料了。Muratov[22]等采用了多种方法来实现惰性氮化硼具有活性羟基，分别是1100℃的超高温燃烧，二氯亚砜以及经过硝酸处理。这样处理后的氮化硼可以比未经过处理的氮化硼多引入3倍的量进行注塑，这样就能得到具有更高的热导率的复合材料。1.4.3填料的表面改性当两种材料需要复合的体系，有两个重要的因素决定着复合材料的性能，那就是填料在聚合物基体的分散性，以及它们之间的界面相容性。当填料在基体里面的分散性好，以及界面相容性强，才能确保复合材料的性能优异。要想提高这两个因素，就需要改善填料表面被基体的湿润程度，而表面改性就能提高湿润性。最常见的表面改性剂当属硅烷偶联剂了，硅烷偶联剂有着自己独有的特殊分子结构，在增加填料与基体的附着力这方面有着很大的作用。Golaz[23]等就选用了硅烷偶联剂来改性钢的表面，并且还做了对比实验，相比与脱脂，和用酸性蚀刻等，最终结果表明硅烷偶联剂在附着力的促进方面强与其他的表面处理方式。Qin[24]等选用了硅烷偶联剂对BN进行了表面改性，然后用FTIR和TG分析，以此来证明自己的猜测与想法，硅烷偶联剂是否能够接枝到材料BN的表面。最终结果，也是非常好的。观察到经过改性后的BN材料不会在基体中有明显的团聚现象，分散性表现的非常良好，而且实验得出，当填料的含量达到16％时，复合材料的热导率达到最高，为惊人的0.53W/（m·K），是纯基体时的导热率的2.8倍。填充型的高分子导热复合材料的导热性能，不仅仅与制备方式以及它们基体本身的导热性能有关，还与填料的各种各样的种类，填料的尺寸大小，填料与基体的比例，以及非常关键的填料在基体中的分散程度，界面性质有关。从方式上要增加复合材料的热导率就从制备工艺上入手，从微观的角度上说，就需要改变填料在基体中的分布，不能形成团聚，还要提高填料与基体的亲和力这就需要提高填料的表面湿润性，从而达到降低热阻的效果。1.5丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物导热复合材料的种类多种多样，且丰富多彩。由于丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)树脂具有较好的力学性能以及优良的加工性能等,在生活中各哥领域都能得到非常广泛的应用[25]。应用ABS材料的最大领域是电子电器和汽车方面，当然在建材和DIY制作领域也有所涉及但不是主要的应用区域。汽车领域的使用就有很多了，比如包括汽车车身外板、内装饰板、保险杠、通风管等很多部件。在电器方面则主要应用于电视机、计算机、复印机等电子电器中。而在建材方面，ABS材料的管材、ABS材料的卫生洁具、ABS材料的装饰板等都广泛应用于建材工业。1.5.1丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物复合材料的应用纯聚合物材料的导热性能一般较差，导热系数比较低，从而限制了其在某些领域中的应用。而导热聚合物材料可应用于如塑料工业中替代金属和金属合金制造热交换器的材料、大功率发光二极管(LED)、大型电动机和发电机等设备的散热材料、电子电器工业中制造导热电路板的材料、橡胶工业中与电子电气元件接触的导热绝缘减震器、胶粘剂工业中封装和热界面材料用胶粘剂等[26-28]。经过前人各种各样的研究表明，在ABS里加入各种材料会改变ABS的各种性能，使其得到我们想要的性能。赵薇[29]用Al2O3、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)制备了导热ABS。得出随着小粒径Al2O3相对含量的提高,复合材料拉伸强度有所增大。这些都是单个的性能的改变，不能做到大幅度的总体性能的提升，要想得到高效的材料还需要其他的实验以及材料。1.6氮化硼BN材料具有良好的力学性能以及介电性能，能够与多种金属不浸润等优良的特性。BN具有类石墨的晶体结构，密度为2．27g／cm。，六方BN(h-BN)和立方BN(c—BN)最常用，BN热膨胀系数(CTE)低至41×10CC～；此外，片状BN的硬度低、质软[30]。BN粉末也具有许多优良性质比如润滑、质轻等性质，而且外表颜色洁白。BN材料在不同的方面表现出不同的性质。在机械特性方面：拥有不磨蚀、低磨耗、尺寸安全性、润滑性佳、耐火及易加工等优点。在电气特性方面：拥有介电强度佳、低介电常数、高频率下低损耗、可微波穿透、良好的电绝缘性等优点。在热力特性方面：拥有高热传导、高热容量、低热膨胀、抗热冲击、高温润滑性及高温安定性等优点。在化学特性方面：拥有无毒、化学安定性、抗腐蚀、抗氧化、低湿润、生物安定性及不沾性等优点。BN能够在提高聚合物热导率的同时，还保持其优异的绝缘性，有阻燃的效果，而且抗冲击能力比一般的材料也要强上许多。为此ABS/BN复合材料材料在导热，阻燃，等各个方面正在被现在广大的学者所研究。1.6.1氮化硼纳米片的制备氮化硼纳米片有甚多制取方式。机械剥离法、生物学脱离法、低能球磨法等方式均能制得纳米片。还有一些化学方法，比如固相反应合成法和化学溶剂剥离法等。这些方法都或多或少的有一些局限性，不能大规模的制备。用机诫脱离法制取氮化硼纳米片时，选定的分散液对氮化硼纳米片剥离作用有挺大的危害，采用似水、异丙醇、无水乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、十二烷基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、N-甲基甲酰胺等分散化溶剂对h-BN机诫脱离均能制得纳米片，但制取的氮化硼纳米片易發生团聚、保证细化情况速度快、产率低，因而有损氮化硼纳米片的规模性工业化生产、存储和运用。本课题对氮化硼纳米片的制取选用的的是球磨法。1.7本课题的研究内容本文选用的是以ABS高分子材料为基体，导热性能好的氮化硼为填料，制备在力学性能和导热性能上都非常优异的ABS/BN复合材料。主要研究内容：1、球磨罐中添加硅烷偶联剂，制备实验所需的功能化BNNS，采用溶融共混法加工制备ABS/BN复合材料。2、通过向定量ABS中添加不同比例的BN填料，研究填料量对于ABS/BN复合材料各项性能的影响，然后对各种性能的测试结果进行数据分析。

ABS/BN复合材料的制备与性能研究2.1引言丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS)树脂具有非常良好的力学性能和优良的加工性能，并且价格低廉，这使得ABS可以通过加工成型，应用于各个领域，比如发光二极管，LED灯，发电机，汽车，航空等领域。但是ABS也具有很多高分子材料共有的缺点，导热性能不是很好，所以就需要进行研究改善ABS的导热性能。最为普遍的就是填充法，选择合适的材料，控制填充的比例，这就是非常关键的因素了。氮化硼（BN）材料就是一个非常好的选择，它具有很高的导热性能，和绝缘性能，六方氮化硼被称为“白色石墨”。但是ABS基体与BN的界面相容性不是很好，所以就需要用到硅烷偶联剂进行表面改性，以此来增强基体与填料直接的粘合性。本章节使用硅烷偶联剂改性过的BN无机粒子为填料，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯高分子材料为基体，通过熔融制备法制备ABS/BN绝缘导热复合材料。在定量的ABS中加入不同体积分数的BN，将注塑成型的ABS/BN复合材料通过硬度、拉伸、冲击、导热系数的测定研究BN填料量对复合材料的影响。2.2实验部分2.2.1实验原材料以及设备1、实验原材料表STYLEREF1\s2SEQ表\*ARABIC\s11实验原材料材料名称作用牌号/规格生产厂家ABS基体材料UL-94中国石油天然气股份有限公司兰州石化分公司BN导热填料RH-S丹东日进科技有限公司硅烷偶联剂偶联剂KH550成都市金山化学试剂有限公司无水乙醇溶解剂99%成都市科隆化学品有限公司2、实验仪器表STYLEREF1\s2SEQ表\*ARABIC\s12实验仪器实验仪器型号生产厂家电子天平LQ-A30001科达仪器仪表有限公司行星式球磨机JX-5G德科仪器设备有限公司高速混合机SHR-10A成都赛可隆机械设备有限公司单螺杆塑料挤出机SJ-3025上海切粒机LQ-60南京恒奥机械有限公司CE立式注塑机TC-150东莞市天成机械有限公司导热系数测定仪YBF-3杭州大华仪器制造有限公司XRD衍射仪RiguKuDMax-2400津工仪器科技有限公司简支梁冲击试验机SJJ-5承德市世鹏检测设备有限公司数显塑料洛氏硬度计XHRS-150莱州莱华试验仪器厂微机控制万能试验机WDW-20济南电热恒温干燥箱101-3sb绍兴市苏铂仪器有限公司2.2.2实验流程1、实验材料配比表STYLEREF1\s2SEQ表\*ARABIC\s13实验材料配比ABS材料含量（g）BNNS材料含量（g）BNNS材料百分比（%）2000020052.5200105200201020030152、实验流程图（1）BNNS填料的制备与表面处理过程复合材料的制作流程2.2.3实验具体步骤（1）改性BNNS的制备与改性准备工作：将一对氧化锆球磨罐清洗干净，然后按球料比为50：1加入同样清洗好的刚玉球350g（均量选择不同大小的刚玉球）。准备好实验所需用具：烧杯、玻璃棒、称量纸、一次性滴管、过滤筛、不锈钢托盘等。加料：将称量纸放在电子天平上去皮后称取两组5gBN粉末加入到清洗好的氧化锆刚玉球磨罐中。加溶剂：将烧杯放在电子天平上去皮后称取两组100g无水乙醇，再用一次性胶头滴管吸取两滴硅烷偶联剂（KH550）往盛装酒精的烧杯中滴加。将配兑好的酒精/硅烷偶联剂溶液混合均匀（玻璃棒搅拌几下），用玻璃棒沿着球磨罐壁倒入球磨罐中。球磨：最后轻轻晃动球磨罐使其中的粉末与溶液充分接触，将密封好的球磨罐以相对的位置放入行星球磨仪中，在进行此操作时一定要将球磨罐压紧，防止由于行星球磨仪的高速运转，球磨罐松动，影响球磨效果，更为严重的是球磨罐脱离卡槽，给行星球磨仪带来毁灭性的伤害。设置所需球磨转速，转动形式为顺时针、逆时针循环运转30分钟，中间的间隔时长为2分钟。取出粉末沉淀：球磨剥离完成后，利用过滤筛将粉末沉淀过滤到不锈钢托盘中，得到BNNS粉末沉淀。将盛有BNNS粉末沉淀的不锈钢托盘放进80℃电热恒温干燥箱中干燥300分钟后即得到改性后的BNNS。装样：利用药匙将干燥好的BNNS从托盘中刮取下来装进小烧杯中，用密封纸封好，并做好相应记录。按照上述此方法再分别球磨出球料比为70：1和100：1的BNNS材料。由于BNNS填料的片层间距也会影响复合材料的导热性能，并且片层间距越大，对于提升热导率越有利，所以在球磨改性BN的过程中特地设置了一组球料比梯度和所获粉末量如表2-4。来研究在不同转速下对BNNS片层厚度的影响。表STYLEREF1\s2SEQ表\*ARABIC\s14不同球料比下所获粉末量球料比球磨时间（h）粉末量（g）50：1207070：12030100：1203.5（2）ABS/BN复合材料的制备混合物料：首先依据表2-3设置好的材料配比，称取定量的ABS基体材料和BNNS粉末材料。把两种材料一起放入高速混合机中设置一定的转速混合大约0.5个小时。挤出、造粒工艺：将混合后的ABS/BNNS粉末倒入单螺杆挤出机中进行挤出工艺：设置一区温度为180℃；二区温度为200℃；三区温度为200℃；四区温度为210℃，转速为400r/min。单螺杆挤出机如图2-1。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s11单螺杆挤出机然后进行造粒工艺，将单螺杆挤出机挤出的线状复合材料放入切粒机中，形成颗粒状的材料。注塑成型：将颗粒状的复合物倒入预先升至一定温度的注塑机中，设出设定，压力设置为70，保压时间为4秒，温度设定，一段温度为190摄氏度，二段为200摄氏度，三段为190摄氏度。选用标准模具，将颗粒状复合物料融化注塑为所需的标准试样。试样为长方形柱体和哑铃型柱体。得到五组不同BN含量的标准试样若干。立式注塑机如图2-2。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s12立式注塑机2.2.4ABS/BN复合材料的性能测试与表征对于复合材料进行了力学性能测试以及导热系数的测定，其中力学性能的测试包括：硬度测试、冲击试验、拉伸试验。ABS/BN复合材料的硬度测试硬度测试仪如图2-3，硬度其实就是指材料局部抵抗硬物压入的能力，是描述一个物体软硬程度的重要指标。硬度分为三类，分别是划痕硬度、压入硬度和回跳硬度。在本次试验中，我采用的是压入硬度。其主要原理就是利用一定的载荷，将规定的压头压入材料中，依据材料被压部分塑性变形的程度比较材料的软硬程度。利用洛氏硬度计，如图2-3，换用直径为12.700mm的球形压头，设置总试验压力为588.4N，保压时间为5s。将复合材料的样品放在实验平台上，所需测试的部分对准压头，手动将压力增加到机器固定值区域，洛氏硬度计将自动运行，运行结束后会显示硬度数值，手动记录便可。此操作简单，读数准确可靠。为增加实验的准确性，减少误差，对每个试样的三个不同部位测试，取平均值，并且每组选用三个平行式样。洛氏硬度记为HRR。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s13洛氏硬度计ABS/BN复合材料的冲击试验对材料进行冲击试验主要是想测试标准试样的抗冲击的能力，也是测试抵抗断裂能力的一种方式，也就是材料在某一特定情况下断裂所需的能量。本次实验采用简支梁试验机完成，具体操作步骤为：选用所需重量的砝码，将钟摆上的指针调零，减小误差，然后将选取的砝码放在测试盘后方的钟摆上。再将式样放在底部的凹槽中，注意摆放的位置最好是式样的中心补位，测试的结果更加准确，用手将钟摆抬至最高，然后自然松手，在重力的作用下，钟摆自然下垂击断试样。测试盘指针就会有一个数值的显示。同样的，为减少试验带来的误差，每组样品设置三个平行式样，取其平均值，本次使用的实验试样为长方形柱体，冲击强度的计算公式为（1.1）：其中h、b分别为厚度和宽度，单位mm；E为能量数、单位为J；a为冲击强度，单位为KJ/m2。标准试样的h=4mm、b=10mm。ABS/BN复合材料的拉伸试验拉伸测试仪如图2-4，拉伸试验是为了测试材料的抗拉强度，而抗拉强度则是用来表现材料能够承受的最大塑性变形的能力。在经过拉伸的过程中试样会随着拉力的增加发生不一样的变形阶段，最开始是塑性变形阶段，然后再到屈服阶段，紧接着到塑性硬化阶段，接下来是紧缩阶段，在此基础上继续加大拉力的话材料最终会被拉断。此试验的力是匀速增加没有突变，沿着标准试验的主轴在两端进行拉伸，直至试样断裂。最后记录下材料断裂时的拉力和试样被拉伸的长度。所用的试验仪器为微机控制万能试验机，如图2-4。将式样的两端由机器的上下两个夹子夹稳。设置固定电脑参数，试验机夹子的移动速度为固定50mm/min,当试样被拉力扯断后，机器立即停止，电脑给出相关数据的线性图。为减小实验带来的误差，每组样品选用三个平行式样进行测试。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s14微机控制万能试验机ABS/BN复合材料的导热性能测定在测定试样的热导率时，本实验选择的还是传统的稳态法，使用导热系数测量仪（如图2-5）来测量的，其中的原理是傅里叶的热传导理论即在单位时间内通过给定截面的热量，正比于该截面方向上的温度变化率和截面面积。将试样放入测量仪的两个铜板中间，然后启动按钮加热其中一个铜板，热量的传递便是：铜板（被加热）-试样-铜板（未加热）。经过一段时间后铜板的温度将达到稳态。当然通过这样的方式无法直接测得单位时间内试样通过的热量，但是可以通过测定达到稳态时铜板的散热速率来间接的得到试样的传热速率。利用符合导热系数测定仪的标样，根据仪器使用说明，连接相应的线路，接着将盘状试样放置于两铜板之间，旋紧使材料与铜板之间无缝隙残留。最后根据ABS材料的热变形温度设置仪器的温度为160℃，待仪器读数稳定后，读出上下铜板温度即完成测试实验。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s15导热系数测量仪2.2.5BNNS导热填料XRD测试取少量已经制作好的一组转速的BNNS粉末，作为XRD衍射样本。具体的操作步骤为：1、用无水乙醇清洗玻片，将BNNS粉末装于玻片凹槽中，并且压紧盖实，去掉多余粉末，使粉末表面平实，完成后置于XRD衍射仪器中。2、连接电脑设置衍射参数，基本扫描参数设置：扫描方式为连续扫描，驱动方式为双轴联动，起始和中止角度分别为10和80，步宽角度为0.02，采样时间为0.5秒，扫描速度为2.4度/分钟；X射线管工作参数设置：管压为30KV，管流20KV。设置完成后点击启动，即开始衍射扫描。扫描完成后取下，开始另一组测试。

结果与讨论3.1不同球料比对BNNS片层间距的影响表STYLEREF1\s3SEQ表\*ARABIC\s11不同球料比下BNNS的晶面间距球料比对照样50：170：1100：1晶面间距d3.31654.21454.30484.5126图3-1为三种不同球料比得到的BN的XRD衍射图谱，仅肉眼观察没什么区别，这三种不同球料比的BN衍射图特征峰的强度差别不大。但是仔细的观察一下还是100：1的BN特征峰强度高一些，70：1的BN特征峰的强度紧随其后。材料中晶粒在同方向排列数量的多少在XRD衍射图中由特征峰的强度代表，这也就是说明当晶粒均为同方向排列时，则晶面的特征峰强度越高。在本次实验里也就说明着BN的剥离更彻底，BNNS更薄。所以从这方面看为100：1的BN剥离效果更好。3.2不同BN含量对于ABS/BN复合材料力学性能的影响3.2.1硬度表STYLEREF1\s3SEQ表\*ARABIC\s12不同BN质量分数下复合材料的硬度BN质量分数（%）0251015硬度（HRR）46.358.664.554.248.4“图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s12”表3-2和图3-2分别是不同BN质量分数下复合材料硬度表格和曲线，从中我们可以看出，复合材料的硬度不是一直增加而是随着BN质量分数的增加表现出波峰是先增大后减小的趋势。纯ABS材料的洛氏硬度为46.3HRR，随着BN材料的增加，复合材料的硬度也随之增加，当加入BN材料且质量分数为5%时复合材料的洛氏硬度升高到了64.5HRR。但是，当我们继续添加BN材料时，复合材料的硬度却开始下降了，在BN的质量分数为15%时复合材料的洛氏硬度仅为48.4HRR。这种情况出现的原因可能是，在填料量较小时ABS基体中的缺陷刚好被BN粒子所填充，使其硬度就有所提升。而当继续添加BN材料时，BN粒子过多就容易形成团聚效果，使其复合材料的硬度有所降低。最主要的就是，过多的加入BN材料，会影响ABS基体分子本身的分子排序，从而影响了复合材料的硬度。3.2.2抗拉强度表STYLEREF1\s3SEQ表\*ARABIC\s13不同BN质量分数下复合材料的抗拉强度BN质量分数(%)0251015抗拉强度(MPa)38.139.3“图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s13”表3-3与图3-3分别为不同BN含量的复合材料抗拉强度的表格与曲线图，观察图可知随着BNNS含量的不断增加，ABS/BN复合材料的抗拉强度在BN质量分数为5%时达到最高，之后出现上下波动居于平衡的状态。最开始，随着BN材料的增加，复合材料的抗拉强度也随之增加，当在BN材料的质量分数为5%时的最高抗拉强度为40.6MPa左右。在此之后就出现了下降，又上升趋于一种在最高处平衡的状态。随着BN材料的增加，抗拉强度也不会又明显的上升趋势了。影响抗拉强度的主要因素是分子内的结合键和分子内部组织。最开始加入BN填料的时候抗拉强度明显的增加，主要是因为BNNS与ABS基体之间的黏附性，形成了非常稳定的结合键，当在外力的作用下时，结合键的作用就体现了出来，使分子层发生滑移，而不会直接的断裂，从而就提升了复合材料的抗拉强度。还有就是，BNNS材料具有润滑性，使得复合材料的抗拉强度会有所提高。但是当继续添加BNNS填料时，抗拉强度却不会继续增加了，这是因为填料与基体的界面相容性已经达到了饱和的状态，没有办法与更多的BNNS填料结合了，没有办法形成更多的结合键了，所以抗拉强度就不会再有所提高。3.2.3断裂伸长率表STYLEREF1\s3SEQ表\*ARABIC\s14不同BN质量分数下复合材料的断裂伸长率BN的质量分数（%）0251015断裂伸长率（%）16.919.723.317.314.5“图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s14”表3-4与图3-4分别为不同BN含量的复合材料断裂伸长率的表格和曲线图，如图所示，随着填料BNNS的质量分数的增加，断裂伸长率呈现先增大后减小的趋势。最开始随着BN材料的添加，复合材料的断裂伸长率也随之增加，当BN的质量分数为5%时，复合材料的断裂伸长率达到最高，最高是20.4%，之后再继续增加的BN，断裂伸长率却开始降低了。影响材料的断裂伸长率，主要就是材料的缺陷影响。最开始添加的BN材料，刚好可以填补ABS基体本身的缺陷，使其补充完整，这就提高了复合材料的断裂伸长率。还有一点就是填充进去的片状BNNS减少了ABS材料受到外力作用时的滑动阻力，这就使得材料在受到外力时，不易断裂，从而提高了ABS/BN复合材料的断裂伸长率。但是继续增加BNNS填料，ABS基体与BNNS填料由于界面相容性的作用下，结合力便会大大降低，从而导致复合材料的断裂伸长率也随之减小。3.2.4冲击强度表STYLEREF1\s3SEQ表\*ARABIC\s15不同BN质量分数下复合材料的冲击强度BN质量分数（%）0251015冲击强度（KJ/m2）2.22.0“图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s15”通过观察图3-5的图形走势发现，这个曲线图和之前的都不同，随着填料BN的增加，复合材料的冲击强度是越来越小。材料的冲击强度代表着材料的韧性，纯ABS的冲击强度为3.8KJ/m2，然而随着BN填料的增加冲击强度逐渐降低，当BN的质量分数为15%时，复合材料的冲击强度只有2.0KJ/m2了。正常情况来说，增加填料BNNS应该会增加ABS基体的冲击强度的，但是理论终究比不过实践。实验中数据显示冲击强度降低，经过分析应该是，BN材料本身的脆性，影响到了ABS材料的塑性，毕竟BN材料是陶瓷材料，随着BN材料的加入复合材料的韧性就会越来越差，最终结果就导致了ABS/BN复合材料整体的冲击强度降低。随着BN材料的加入影响到了ABS材料本身的分子间的连续性，BN材料的分子打断了ABS材料的分子排序，就导致基体的连续性得到了破坏，材料的内部缺陷就会增多，导致复合材料更加容易断裂。3.3ABS/BN复合材料的导热性能表STYLEREF1\s3SEQ表\*ARABIC\s15不同BN质量分数下复合材料的冲击强度BN质量分数（%）0251015导热系数0.220.270.290.410.50“图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s16”表3-6与图3-6为不同BN质量分数下ABS/BN复合材料导热系数的表格与变化曲线。观察图可知随着BN材料的增加，导热系数不断的上升，纯ABS基体材料的导热系数可以说是非常的低了，只有0.22W/（m·k）左右，但是随着BN质量分数的增加，复合材料的导热系数也随之增加，当BN的质量分数为15%时，复合材料的导热系数高达0.50W/（m·k），是纯ABS材料的2倍还要多。还有一个非常关键的要点，在BN材料质量分数为5%之前，导热系数的增长都不是很快，是非常缓慢的增加的。但是当BN材料的质量分数达到5%之后，复合材料的导热系数有了很大的变化，增长的速度发生了突变。据此分析，在BN的填充量较低时，BN粒子是处于镶嵌在ABS基体中的，这时候复合材料的导热还是主要依靠于基体本身，所以复合材料导热性能的变化不是很快。但是在BN材料质量分数达到5%时，导热性能达到了突变。这是因为大量的BN材料经过球磨具有二维片层结构，容易发生取向。大片的BN材料更容易相互接触，形成用于导热的组织网络，更加利于热的传导。

结论与展望4.1结论本实验通过改变基体材料ABS中BN填料的体积分数，通过熔融共混的方法制备了ABS/BN导热复合材料。使用硅烷偶联剂（KH550）对BN进行表面改性以此增加填料与基体的相容性。BN填料增加了ABS基体的导热性能与力学性能。BN材料质量分数为5%时，导热系数得到突变增加，在BN填料的体积分数达到15%时，复合材料的导热系数到达0.47W/(m·k)。ABS/BN复合材料的硬度、抗拉强度、断裂伸长率都是随着加入BN材料的加入有所提升，但也不是一直提升，在BN质量分数为5%时转折。冲击强度不会随着BN质量的增加而增加。4.2展望本文的实验方法简便，避免了繁琐的实验过程，且制的的复合材料性能优异，能够满足各个电器领域的需求。但是有一点，在力学性能上没有的到全面的提升，抗冲击强度没有得到提升，这还值得我们继续探索研究。

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