鄭襄丹，魏 毅，劉衛(wèi)平，劉萬(wàn)雙

（東華大學(xué)民用航空復(fù)合材料協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 201620）

熱管理對(duì)電子設(shè)備的性能、壽命和可靠性至關(guān)重要。隨著電子產(chǎn)品不斷向小型化、微型化、高集成度、高功率的方向發(fā)展，以及三維芯片結(jié)構(gòu)、柔性電子器件和發(fā)光二極管等新應(yīng)用的出現(xiàn)，散熱成為一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。因此迫切需要開(kāi)發(fā)新的高導(dǎo)熱材料來(lái)解決這一問(wèn)題。環(huán)氧樹(shù)脂由于具有優(yōu)良的粘結(jié)性能、力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性、耐熱性、耐化學(xué)腐蝕等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電子器件封裝材料。但是傳統(tǒng)環(huán)氧樹(shù)脂材料的導(dǎo)熱系數(shù)較低，在0.17～0.21W·m-1·K-1的范圍內(nèi)，不能滿(mǎn)足高導(dǎo)熱性能的需求。通常采用兩種途徑用來(lái)提高環(huán)氧樹(shù)脂的導(dǎo)熱系數(shù)：首先是直接合成具有高取向性和高結(jié)晶度的本征型導(dǎo)熱環(huán)氧樹(shù)脂材料，但這種方法成本高，合成制備路線(xiàn)復(fù)雜，并且得到的環(huán)氧樹(shù)脂通常為高熔點(diǎn)固體，其工藝性能較差；另一種簡(jiǎn)單有效的方法是制備填充型導(dǎo)熱高分子材料，即將金屬類(lèi)、碳類(lèi)或陶瓷類(lèi)填料填充到環(huán)氧樹(shù)脂基體中。金屬類(lèi)填料和大部分碳類(lèi)填料如碳納米管、石墨烯不能滿(mǎn)足在電氣絕緣領(lǐng)域的應(yīng)用需求，所以常使用絕緣無(wú)機(jī)導(dǎo)熱填料，如氧化鋁、氮化硼、氮化鋁、氮化硅等[1-2]。其中氮化硼具有許多優(yōu)異的性能，如導(dǎo)熱系數(shù)高、介電常數(shù)低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。影響填充型導(dǎo)熱復(fù)合材料的因素很多，包括填料的本征導(dǎo)熱系數(shù)、填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、顆粒形狀、顆粒尺寸、填料與基體間的界面和相互作用等[3-5]。

Yu 等[6]通過(guò)真空過(guò)濾的方法制備了密集填充和垂直取向的氮化硼改性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。當(dāng)?shù)痼w積含量為44%時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)9W·m-1·K-1。Moradi等[7]以環(huán)氧樹(shù)脂作為基體、硫醇作為固化劑改善了基體-粒子的界面相互作用，比較了平均粒徑分別為2μm、30μm 和180μm 的片狀氮化硼粒子對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)熱性能的影響，結(jié)果表明，隨著氮化硼粒徑的增加，氮化硼改性環(huán)氧樹(shù)脂的導(dǎo)熱系數(shù)增加。Han 等[8]利用獨(dú)特的雙向凍結(jié)技術(shù)，在環(huán)氧樹(shù)脂基體內(nèi)建立了一個(gè)模擬nacre 的三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，制備了一種高導(dǎo)熱的氮化硼納米片/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，所制備的復(fù)合材料在氮化硼納米片體積含量為15% 時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)熱性(6.07W·m-1·K-1)、絕緣性和熱穩(wěn)定性，使其對(duì)電子封裝應(yīng)用具有巨大潛力。目前關(guān)于氮化硼填充改性環(huán)氧樹(shù)脂已有大量的文獻(xiàn)報(bào)道[5-9]，但是關(guān)于不同尺度氮化硼，特別是微、納米級(jí)氮化硼對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)熱改性的對(duì)比研究，不同導(dǎo)熱模型的適用性，以及氮化硼改性對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂流變、固化、熱學(xué)和力學(xué)性能的影響，還鮮有進(jìn)行系統(tǒng)研究。本研究采用3 種不同片徑微米級(jí)和一種納米級(jí)氮化硼填充改性環(huán)氧樹(shù)脂，研究了不同粒徑及含量的氮化硼對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)熱性能、流變性能等的影響，運(yùn)用了多種導(dǎo)熱模型對(duì)氮化硼改性環(huán)氧樹(shù)脂的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，最后對(duì)優(yōu)化后改性環(huán)氧樹(shù)脂的固化行為、熱機(jī)械性能及彎曲性能進(jìn)行了分析表征。

試驗(yàn)及方法

1 試驗(yàn)材料

雙酚F 環(huán)氧樹(shù)脂，環(huán)氧當(dāng)量165，深圳佳迪達(dá)新材料科技有限公司；固化劑：甲基六氫鄰苯二甲酸酐（98%），北京百靈威科技有限公司；促進(jìn)劑為2-乙基-4-甲基咪唑，北京百靈威科技有限公司；觸變劑為氣相二氧化硅，福斯曼科技（北京）有限公司；微米級(jí)片狀六方氮化硼PT110、PT120、PT180，邁圖高新材料集團(tuán)；納米級(jí)片狀六方氮化硼（Nano BN），上海銘煦新材料有限公司。

2 復(fù)合材料的制備

試樣的制備：在一燒杯中稱(chēng)取一定量的環(huán)氧樹(shù)脂、甲基六氫鄰苯二甲酸酐、氣相SiO2和2-乙基- 4 -甲基咪唑，其質(zhì)量比為165 ∶168 ∶1.6 ∶1.6。手動(dòng)攪拌均勻后，加入相應(yīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的氮化硼填料，經(jīng)公轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)攪拌脫泡機(jī)（深圳中毅）進(jìn)行3 次攪拌和脫泡處理。將得到的樹(shù)脂混合物倒入涂有脫模劑的鋼模具中，隨后在烘箱中120℃預(yù)固化1h，140℃固化2h，160℃后固化1h。固化完全后自然冷卻到室溫，脫模后得到復(fù)合材料試樣。不同尺寸的微米BN 和納米BN 制備的復(fù)合材料分別命名為EP/PT110、EP/PT120、EP/PT180、EP/Nano BN，其中氮化硼填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～40%。

3 測(cè)試與表征

場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，SU8100 型，日本日立公司；紅外光譜儀（FTIR），Nicolet 6700，美國(guó)尼高力儀器公司，全反射模式；X 射線(xiàn)衍射儀（XRD），d/max 2550 vb/pc 型，日本理學(xué)公司。導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀，TC3100 型，西安夏溪電子科技有限公司；流變儀，DHR-2 型，美國(guó)TA 公司，測(cè)試夾具為40mm 平形板，測(cè)試溫度25℃，剪切速率范圍0.1～1000s-1；差示掃描量熱儀，DSC 204 型，德國(guó)耐馳科學(xué)儀器商貿(mào)有限公司，升溫速率為10℃/min，溫度測(cè)試范圍20～200℃；動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀，DMA Q800，美國(guó)TA 公司，雙懸臂梁模式，升溫速率3℃/min，溫度測(cè)試范圍20～200℃；電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，203B-TS 型，深圳萬(wàn)測(cè)試驗(yàn)設(shè)備有限公司，復(fù)合材料的彎曲性能測(cè)試按照ASTM D790-03 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

4 導(dǎo)熱模型

采用簡(jiǎn)單模型（串聯(lián)模型、并聯(lián)模型和幾何平均模型）、Maxwell-Eucken模型、Bruggeman 模型、Cheng-Vachon模型、Hatta 模型對(duì)片狀氮化硼改性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行模擬。

4.1 簡(jiǎn)單模型

簡(jiǎn)單導(dǎo)熱模型包括3 種：串聯(lián)模型[10-11]、并聯(lián)模型、幾何平均模型[12]。其中串聯(lián)模型和并聯(lián)模型通常用于預(yù)測(cè)復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的下限值和上限值，其表達(dá)式如下：

串聯(lián)模型：

并聯(lián)模型：

幾何平均模型：

式中，λ 表示復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，λp表示聚合物基體的導(dǎo)熱系數(shù)，λf表示導(dǎo)熱填料的導(dǎo)熱系數(shù)，Vf表示填料的體積分?jǐn)?shù)，以下均同。

4.2 Maxwell-Eucken 模型

Maxwell-Eucken 模型[13]在導(dǎo)熱填料含量較低時(shí),能較好預(yù)測(cè)球形粒子/聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，然而當(dāng)填料含量較高時(shí)，粒子之間彼此接觸，形成導(dǎo)熱網(wǎng)鏈，此時(shí)該模型會(huì)低估復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，表達(dá)式如下：

4.3 Bruggeman 模型

Bruggeman 模型[14]適用于導(dǎo)熱填料含量相對(duì)較高時(shí)，導(dǎo)熱粒子相互堆積時(shí)，預(yù)測(cè)復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。表達(dá)式如下：

4.4 Cheng-Vachon 模型

Cheng-Vachon 模型[15]是在Tsao概率模型的基礎(chǔ)上，假定分散相服從拋物線(xiàn)分布，分布常數(shù)是基體相體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)，通過(guò)分布函數(shù)預(yù)測(cè)復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。該模型能夠較好地預(yù)測(cè)分散相導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于連續(xù)相導(dǎo)熱系數(shù)的復(fù)合材料，其表達(dá)式為：

式中，B=(3Vf/2)1/2，C=1/B，當(dāng)λf≥λp時(shí)，只要Vf＜0.667,則該方程可以簡(jiǎn)化為λ=λp/(1-B)。

4.5 Hatta 模型

Hatta 模型[16]是目前唯一預(yù)測(cè)復(fù)合材料中填充片狀填料的導(dǎo)熱模型，其表達(dá)式為：

式中，S 取決于導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)量方向，當(dāng)沿平面方向測(cè)量復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)S=πL/4X，當(dāng)沿厚度方向測(cè)量復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)S=1-πL/2X；L 是片狀填料的有效直徑/粒徑，μ m；X 是片狀填料的厚度，nm。本試驗(yàn)復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)沿垂直方向測(cè)量。

由于試驗(yàn)中都是按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算，故需要通過(guò)公式將質(zhì)量分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換成體積分?jǐn)?shù)，其表達(dá)式如下：

式中，Vf是氮化硼的體積分?jǐn)?shù)；Wf是氮化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；ρf是導(dǎo)熱填料的密度，g·cm-3；ρp是聚合物基體的密度，g ·cm-3。

結(jié)果與討論

1 形貌與結(jié)構(gòu)表征

表1 為本文所用到幾種片狀氮化硼的產(chǎn)品性能參數(shù)，3 種微米級(jí)的片狀氮化硼PT110、PT120 和PT180具有明顯不同的片徑、厚度和比表面積。納米級(jí)氮化硼Nano BN 具有較小的片徑，厚度為1～9nm，并具有最大的比表面積。通過(guò)掃描電鏡對(duì)4種片狀氮化硼進(jìn)行了觀察，由圖1 可以看到，4 種氮化硼為片狀，且其片徑與表1 中數(shù)據(jù)基本一致?？梢?jiàn)上述4 種片狀氮化硼在形貌特征上具有顯著的差異。

通過(guò)紅外光譜和XRD 光譜對(duì)4 種片狀氮化硼的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，圖2（a）為4 種氮化硼的紅外譜，可見(jiàn)4 種氮化硼均在1377cm-1和808cm-1出現(xiàn)強(qiáng)的BN 紅外特征峰，分別對(duì)應(yīng)B-N 的伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)吸收峰。納米級(jí)氮化硼Nano BN 還在2927cm-1和2852cm-1處出現(xiàn)了微弱的脂肪族C-H 伸縮振動(dòng)峰，說(shuō)明可能存在極少量的有機(jī)雜質(zhì)。圖2（b）為4 種氮化硼XRD譜圖，與六方氮化硼的標(biāo)準(zhǔn)譜圖（JCPDSNo.34-0421）比較吻合，其衍射峰分別對(duì)應(yīng)六方氮化硼的（002）、（100）、（101）、（102）、（004）、（104）和（110）晶面。上述表征結(jié)果表明4種片狀氮化硼具有相同的結(jié)構(gòu)，且具有較高的純度。

2 復(fù)合材料導(dǎo)熱性能

圖1 4種片狀氮化硼的掃描電子顯微鏡圖像Fig.1 SEM images of four BN sheets

表1 4種片狀氮化硼的性能參數(shù)Table 1 Specifications of four boron nitride (BN) sheets

對(duì)不同尺度及不同含量片狀氮化硼改性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖3 所示。當(dāng)填料含量一定時(shí)，隨著氮化硼片徑的增加，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增加，加入相同含量的納米級(jí)氮化硼時(shí)，得到的復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)最低。原因小片徑、比表面積大的片狀氮化硼更易被環(huán)氧樹(shù)脂包裹，而不易形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)?shù)鹌瑥皆龃髸r(shí)，其比表面積減小，與樹(shù)脂間形成的界面層的面積減小，界面層的聲子散射減弱，導(dǎo)熱系數(shù)提高[17]。此外，如圖3所示，隨著氮化硼含量的增加，復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)隨之提高，特別是當(dāng)?shù)鹳|(zhì)量分?jǐn)?shù)由20%提高到30%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生較大幅度提高。這是因?yàn)楫?dāng)填料添加量較少時(shí)，氮化硼容易被環(huán)氧樹(shù)脂包裹而處于隔離狀態(tài)，形成類(lèi)似于海島狀的結(jié)構(gòu)。但是隨著氮化硼含量的增加，氮化硼之間可以相互接觸，形成導(dǎo)熱通路，因此復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)顯著提高[18]。當(dāng)大片徑微米級(jí)氮化硼PT110 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到40%時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到最大值1.27W·m-1·K-1，約為純環(huán)氧樹(shù)脂的7.1 倍。在環(huán)氧樹(shù)脂中填充小片徑、高比表面積的PT180 和納米級(jí)氮化硼時(shí)，當(dāng)填充量超過(guò)30%時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂黏度急劇增加，加工困難，因此本文未研究Nano BN、PT180 填充量超過(guò)30%的情況。由上述結(jié)果可知，本文所使用的納米級(jí)氮化硼在改性環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)熱性能方面，未能充分發(fā)揮出納米材料的優(yōu)勢(shì)，這可能是由于本文中采用的分散方法未能實(shí)現(xiàn)納米級(jí)氮化硼的充分分散。而對(duì)于微米級(jí)氮化硼，加入大片徑的氮化硼更有利于提高環(huán)氧樹(shù)脂的導(dǎo)熱系數(shù)。

3 導(dǎo)熱模型

由于填料的形狀、粒徑、在基體中的分散情況等不同，復(fù)合材料導(dǎo)熱性能具有較大差異。目前，已經(jīng)有多種導(dǎo)熱模型被用來(lái)預(yù)測(cè)填充型樹(shù)脂基復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，常用的理論模型有：簡(jiǎn)單模型（并聯(lián)模型、串聯(lián)模型和幾何平均模型）、Maxwell-Eucken 模型、Bruggeman模型、Cheng-Vachon 模型、Hatta 模型等。根據(jù)7 種導(dǎo)熱模型計(jì)算出不同氮化硼改性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，結(jié)果如表2 所示?？梢?jiàn)，并聯(lián)模型、串聯(lián)模型、Hatta 模型預(yù)測(cè)的導(dǎo)熱系數(shù)值范圍明顯與試驗(yàn)數(shù)值不符，因此不適用于片狀氮化硼改性環(huán)氧樹(shù)脂體系。Maxwell-Eucken 模型、Bruggeman 模型、Cheng-Vachon模型預(yù)測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)值與試驗(yàn)值相比偏低，幾何平均模型計(jì)算而得的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值最為接近。上述結(jié)果表明，幾何平均模型更適用于模擬不同尺度片狀氮化硼改性環(huán)氧樹(shù)脂的導(dǎo)熱性能。此外，可以看到當(dāng)不同類(lèi)型氮化硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，其改性環(huán)氧樹(shù)脂的導(dǎo)熱系數(shù)的試驗(yàn)值均與預(yù)測(cè)值相差較大，這可能是由于30%的填料含量接近于改性環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生大幅提高的滲透閾值。

4 復(fù)合材料的流變行為

除了導(dǎo)熱性能，流變性能對(duì)于氮化硼改性環(huán)氧樹(shù)脂同樣至關(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定著材料的工藝性能。由圖3 可知，隨著氮化硼填料含量的增加，改性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增加，為了使復(fù)合材料獲得較高的導(dǎo)熱系數(shù)，需要盡可能增加氮化硼填料的含量，但這不可避免地增加了改性環(huán)氧樹(shù)脂的黏度。為了研究不同片狀氮化硼對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂流變性能的影響，通過(guò)流變儀對(duì)4 種氮化硼改性環(huán)氧樹(shù)脂在不同剪切速率下的黏度進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖4 所示。所有的氮化硼改性環(huán)氧樹(shù)脂均表現(xiàn)出非牛頓流體特性，隨著剪切速率的增加，其黏度隨之降低，這是典型的剪切變稀現(xiàn)象，是由于填料的重新分布及其取向造成的[19]。對(duì)于同一粒徑的填料，隨著氮化硼含量的增加，改性環(huán)氧樹(shù)脂的黏度增加。而在相同的填充量下，對(duì)于3 種微米級(jí)片狀氮化硼，改性樹(shù)脂的黏度隨著氮化硼片徑的減小而增大。這主要是因?yàn)樵谙嗤畛淞繒r(shí)，片徑越小的氮化硼其比表面積越大，與環(huán)氧樹(shù)脂的接觸面積和相互作用力越大，使得聚合物分子鏈運(yùn)動(dòng)困難，因此可導(dǎo)致黏度顯著增加[20]。同理，相比微米級(jí)氮化硼，比表面積最大的納米級(jí)氮化硼對(duì)改性環(huán)氧樹(shù)脂的黏度影響更大。對(duì)于片徑較小的PT180 和Nano BN，由于當(dāng)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%的時(shí)候，改性樹(shù)脂黏度過(guò)高，呈現(xiàn)泥狀，因而未進(jìn)行測(cè)試。

圖2 4種片狀氮化硼的紅外譜圖和XRD譜圖Fig.2 FT-IR spectra and XRD spectra of four BN sheets

圖5 比較了在剪切速率為1s-1時(shí)，不同片狀氮化硼及其不同含量改性環(huán)氧樹(shù)脂的黏度數(shù)據(jù)。氮化硼PT180 和Nano BN 填充量由20%增加至30%時(shí)，會(huì)顯著增加改性樹(shù)脂的黏度，尤其是納米級(jí)氮化硼，其改性樹(shù)脂黏度可達(dá)790.1Pa·s。而片徑較大的氮化硼PT110 和PT120 在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)仍然保持較低的黏度值，分別為4.9Pa·s 和8.3Pa·s。當(dāng)PT110 和PT120 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到40%的時(shí)候，改性樹(shù)脂的黏度發(fā)生顯著增加。根據(jù)導(dǎo)熱性能和工藝性能測(cè)試結(jié)果，采用PT110 和PT120 為填料，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，改性環(huán)氧樹(shù)脂具有較好的綜合性能。下面將對(duì)優(yōu)化后的兩種改性氮化硼環(huán)氧樹(shù)脂的性能進(jìn)行進(jìn)一步探究。

5 復(fù)合材料斷面形貌分析

通過(guò)掃描電鏡，對(duì)兩種優(yōu)化后的氮化硼改性環(huán)氧樹(shù)脂中片狀氮化硼的分散狀態(tài)進(jìn)行觀察，如圖6 所示。兩種改性環(huán)氧樹(shù)脂斷面形貌呈現(xiàn)不規(guī)則的凹凸起伏，可以清晰地看到片狀的氮化硼暴露在斷面處或者與斷面成一定角度地鑲嵌在基體中。許多氮化硼的表面光滑平整，沒(méi)有環(huán)氧樹(shù)脂黏附在上面，這說(shuō)明氮化硼與環(huán)氧基體的界面結(jié)合相對(duì)較差。這種相對(duì)較差的界面作用是聲子傳輸?shù)恼系K，這也是改性后環(huán)氧樹(shù)脂的導(dǎo)熱系數(shù)與氮化硼本體導(dǎo)熱系數(shù)相差較大的主要原因之一。目前已有多種方法被用來(lái)改善氮化硼改性環(huán)氧樹(shù)脂的導(dǎo)熱性能，如填料表面化學(xué)改性、添加偶聯(lián)劑或在材料制備過(guò)程中使用高壓等[7]。

表2 不同導(dǎo)熱模型計(jì)算的導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測(cè)值Table 2 Predicted thermal conductivity values calculated by different thermal conductivity models W·m-1·K-1

圖3 4種不同片狀氮化硼對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.3 Effect of four BN sheets on the thermal conductivity of epoxy composites

圖4 添加不同粒徑氮化硼改性環(huán)氧樹(shù)脂黏度隨剪切速率的變化Fig.4 Viscosity versus shear rate of epoxy composites modified with different BN sheets

6 固化行為和熱機(jī)械性能

為了探究氮化硼對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂固化行為的影響，對(duì)未改性和兩種優(yōu)化后氮化硼改性環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行了DSC測(cè)試，得到的DSC 曲線(xiàn)如圖7 所示，表3 為DSC 數(shù)據(jù)。可以看到，加入30%的PT110 和PT120 對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂固化反應(yīng)起始溫度、峰值溫度和終止溫度幾乎沒(méi)有影響。改性后的環(huán)氧樹(shù)脂可以采用和未改性樹(shù)脂相同的方式進(jìn)行固化。固化反應(yīng)熱（ΔH）是環(huán)氧樹(shù)脂固化行為的另一個(gè)重要參數(shù)，它與環(huán)氧樹(shù)脂固化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率成正比，同時(shí)也可以反映環(huán)氧樹(shù)脂體系的使用安全性，通常當(dāng)固化反應(yīng)熱大于300J/g 時(shí)，該樹(shù)脂體系存在發(fā)生熱爆聚的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)加入PT110和PT120 后，固化反應(yīng)熱由原來(lái)的372J/g 下降到265J/g。固化反應(yīng)熱下降主要是由于氮化硼占有30%的含量，但卻不參與固化反應(yīng)。從反應(yīng)熱來(lái)看，兩種氮化硼改性后的環(huán)氧樹(shù)脂相比未改性樹(shù)脂具有更好的使用安全性。

7 復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能

通過(guò)動(dòng)態(tài)力學(xué)分析（DMA）測(cè)試對(duì)未改性和兩種優(yōu)化后氮化硼改性環(huán)氧樹(shù)脂的熱機(jī)械性能進(jìn)行表征。圖8（a）為3 種材料的儲(chǔ)能模量隨溫度變化曲線(xiàn)，可見(jiàn)加入片狀氮化硼后可以顯著提高環(huán)氧樹(shù)脂的儲(chǔ)能模量。未改性環(huán)氧樹(shù)脂在室溫下的儲(chǔ)能模量為2550MPa，而加入30%的PT110 和PT120 后，改性環(huán)氧樹(shù)脂在室溫下的儲(chǔ)能模量分別提高到4872MPa 和4824MPa，提升了近90%。因?yàn)槠瑺畹鹋c樹(shù)脂基體間存在巨大的界面接觸，施加的外力從樹(shù)脂基體轉(zhuǎn)移到氮化硼粒子上，而氮化硼本身的模量很高，所以加入氮化硼后，環(huán)氧樹(shù)脂的儲(chǔ)能模量顯著增加。損耗角正切值（損耗因子）是儲(chǔ)能模量與損耗模量的比值，其峰值溫度常作為高分子材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg），如圖8（b）所示，加入30%的PT110 和PT120 后，環(huán)氧樹(shù)脂的Tg由未改性時(shí)的161℃略微下降至159℃和155℃，可見(jiàn)加入兩種氮化硼改性，對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的耐熱性幾乎沒(méi)有影響。

圖5 剪切速率為1s-1時(shí)氮化硼改性環(huán)氧樹(shù)脂黏度隨填料含量變化曲線(xiàn)Fig.5 Viscosity versus filler loading curves of BN modified epoxy resins at shear rate of 1s-1

圖6 兩種微米級(jí)片狀氮化硼改性環(huán)氧樹(shù)脂斷裂面掃描電鏡照片F(xiàn)ig.6 SEM images of fracture surfaces of two epoxy composites modified by micro-scale BN sheets

圖7 未改性和氮化硼改性環(huán)氧樹(shù)脂的DSC曲線(xiàn)Fig.7 DSC curves of unmodified and BN modified epoxy resins

表3 BN/EP復(fù)合材料的DSC數(shù)據(jù)Table 3 DSC data of BN/EP composites

8 復(fù)合材料的彎曲性能

通過(guò)3 點(diǎn)彎曲測(cè)試對(duì)未改性和兩種優(yōu)化后氮化硼改性環(huán)氧樹(shù)脂的力學(xué)性能進(jìn)行表征，結(jié)果如圖9 所示。未改性環(huán)氧樹(shù)脂的彎曲強(qiáng)度為127MPa，加入30%的PT110 和PT120后環(huán)氧樹(shù)脂的彎曲性能分別下降至45MPa 和66MPa?？梢?jiàn)加熱氮化硼顯著降低環(huán)氧樹(shù)脂的彎曲強(qiáng)度，這是由于高含量的剛性片狀氮化硼在環(huán)氧樹(shù)脂中易形成應(yīng)力集中點(diǎn)，引發(fā)材料破壞；另一方面，加入片狀氮化硼可顯著提高環(huán)氧樹(shù)脂的彎曲模量，加入30%的PT110 和PT120 后，環(huán)氧樹(shù)脂的彎曲模量由未改性時(shí)的2.8GPa，提高到了4.6GPa 和5.6GPa。由上述結(jié)果可知，加入片徑相對(duì)較小的氮化硼，改性后的環(huán)氧樹(shù)脂彎曲性能較好。這是由于小片徑的氮化硼比表面積較大，與環(huán)氧樹(shù)脂的接觸面積大，更有利于載荷的傳遞。此外，大片徑的氮化硼更易引起應(yīng)力集中，降低材料的彎曲強(qiáng)度。

結(jié)論

（1）4 種片狀氮化硼改性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，當(dāng)填充量質(zhì)量分?jǐn)?shù)由20%提高到30%的時(shí)候，導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生大幅度提高。在相同的氮化硼含量時(shí)，大片徑的微米級(jí)氮化硼改性環(huán)氧樹(shù)脂具有最高的導(dǎo)熱系數(shù)。納米級(jí)片狀氮化硼在提高環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)熱性能上相比微米級(jí)片狀氮化硼沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。

（2）運(yùn)用并聯(lián)模型、串聯(lián)模型、幾何平均模型、Maxwell-Eucken 模型、Bruggeman 模型、Cheng-Vachon模型、Hatta 模型對(duì)4 種片狀氮化硼改性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，其中幾何平均模型的計(jì)算值與試驗(yàn)值更加吻合。

圖8 未改性和氮化硼改性環(huán)氧樹(shù)脂的DMA測(cè)試結(jié)果Fig.8 DMA results of unmodified and BN modified epoxy resins

圖9 未改性和氮化硼改性環(huán)氧樹(shù)脂的彎曲性能Fig.9 Flexural properties of unmodified and BN modified epoxy resins

（3）片狀氮化硼改性環(huán)氧樹(shù)脂的黏度隨氮化硼用量的增加而增加。在氮化硼含量相同時(shí)，填充大片徑微米級(jí)氮化硼的環(huán)氧樹(shù)脂黏度最低，而添加納米級(jí)氮化硼的環(huán)氧樹(shù)脂黏度最高。

（4）分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的微米級(jí)片狀氮化硼PT110 和PT120得到的改性環(huán)氧樹(shù)脂兼具優(yōu)良的導(dǎo)熱性能和工藝性能。添加兩種氮化硼對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的固化溫度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度沒(méi)有明顯影響，改性后環(huán)氧樹(shù)脂儲(chǔ)能模量和彎曲模量得到大幅度提高，但彎曲強(qiáng)度顯著下降。其中填充較小片徑氮化硼PT120 的改性環(huán)氧樹(shù)脂表現(xiàn)出更好的彎曲性能。