导热颗粒填充聚砜复合材料的制备与性能研究

本申请针对"明确目标课题"－12导热颗粒填充聚砜复合材料的制备与性能研究提出。以Al2O3颗粒和SiC晶须为导热填料，采用硅烷偶联剂对颗粒表面进行修饰，改善颗粒的润湿性以及与基体界面结合性能；利用平行双螺杆挤出工艺提高颗粒分散均匀性。研究界面结合状态对导热性能的影响，揭示其在热传导中的作用规律。研究体积分数同导热性能、加工流动性以及力学性能间的影响关系。通过研究不同颗粒尺寸与填充体积分数的复合材料的导热性能，揭示颗粒尺寸效应对导热性能的影响规律，获得具有高导热性能复合材料的颗粒尺寸与体积分数范围。研究多尺度颗粒混杂填充以及颗粒和晶须混杂填充对导热性能的影响规律，优化混杂填充的参数，提出高导热低膨胀电绝缘填充复合材料的设计方案。通过对复合材料中导热和传热基本规律的认识，建立复合材料热导率的预测模型。本项目研究结果将为高导热低膨胀绝缘聚合物复合材料的设计和制备提供理论指导和实验依据。

本项目采用Al2O3颗粒和碳纤维填充改善聚砜的导热性能，研究填充颗粒和纤维的尺寸、含量、分布以及材料成型工艺等因素对复合材料导热性能的影响规律，属于聚合物共混和复合材料方向。主要研究内容包括：共混复合工艺以及制备工艺对复合材料结构和性能的影响；颗粒的尺寸、形状、含量、分布及表面处理对复合材料力学性能、热膨胀和导热性能的影响；纤维填充复合材料及其成型工艺对复合材料导热性能的影响规律；颗粒和纤维混杂填充对复合材料导热性能的影响规律。获得如下主要结果：1）双螺杆挤出共混工艺提供足够剪切力，颗粒分散性较好，复合材料综合性能高。在相同填充量下，纳米颗粒填充复合材料的拉伸性能优于微米填充，而且，颗粒尺寸越小，拉伸强度越高。2）随着Al2O3颗粒填充量的增加，PSF基复合材料的线性热膨胀系数降低。复合材料的热膨胀系数大体上与颗粒体积填充量线性相关，颗粒尺寸因素影响不大。3）在填充量较低时，填料几乎孤立的分散在基体中，对材料的导热能力影响有限；随着填充量的增加，氧化铝颗粒开始逐步相互接触形成有效的导热通道，材料的导热能力迅速提高。在较高填充量下，纳米尺度的颗粒比微米级颗粒容易形成更多的导热通道，导热能力更好。4）热历史对复合材料导热系数基本上无影响，表明复合材料的界面比较稳定。基体的影响可以忽略，导热能力的提高主要依靠颗粒的相互接触形成导热通道；在颗粒填充复合材料中，颗粒尺寸和纳米颗粒的团聚倾向是影响导热网络形成的主要因素。5）与原始颗粒填充相比，颗粒经过表面处理之后，复合材料体系的拉伸强度降低了，但是冲击性能得到很好的改善；在较低填充量下，颗粒经过表面处理可以提高导热，但较高填充量下，与原始颗粒填充相比导热下降；经过钛酸酯表面处理的氧化铝颗粒填充聚砜复合材料热膨胀系数降低了，表明材料尺寸稳定性得到改善。6）酸化处理碳纤维表面能显著提高纤维填充复合材料的导热性能；加工工艺对纤维填充复合材料导热系数影响很大，以厚度方向为导热关注方向，则成型工艺优先次序为，多孔注塑优于直浇口注塑、模压成型、侧浇口注塑。纤维填充量越大，熔体流动过程中纤维之间交互作用越强，加工工艺的影响程度越大。7）纤维、颗粒混杂填充可以获得导热性能更加优异的复合材料；在碳纤维填充量为26vol%、Al2O3为10vol%的填充情况下，采用多孔注塑工艺制备的复合材料，其在25℃下的导热系数达到了1.8W/K*m左右。