高导热绝缘六方氮化硼纳米片/聚苯并唑类复合材料的制备与性能研究

In recent years, with the rapid development of electrical and electronic industry, the requirements of thermal conductive and electrical insulating polymer composites increase quickly. Because of low thermal stability and mechanical properties, the traditional thermal interface materials already cannot meet the needs of some practical applications. Poly (benzazole) is expected to become a new type of thermal interface materials due to its high performances, such as high strength, high modulus, heat-resistant and erosion-resistant,etc. However, the poor thermal conductivity of pure poly (benzazole) remains a major bottleneck for thermal interface materials. In this project, based on the synthesis and preparation of poly (benzazole), we propose to utilize the boron nitride nanosheets as nanofillers for preparing high-performance thermal conductive and electrical insulating poly (benzazole)-based composites. Here, we will study the relationship between the yield of high-quality boron nitride nanosheets and different conditions of exfoliation and separation by mean of the interactions of boron nitride nanosheets with various monomer molecules and polymers. By analyzing the process and mechanism for functionalization of boron nitride nanosheets, we will design and implement the combination of boron nitride nanosheets and poly (benzazole) using the methods of in-situ polymerization, solution blending and self-assembly. Then, we will further establish the universal law of boron nitride nanosheets and the structure of poly (benzazole) on the thermal conductivity, insulation performance, mechanical property and thermal stability of boron nitride nanosheets/poly(benzazole) composites. The study of this project will promote the development of new thermal interface materials and provide some reference and guidance for high-quality and large-scale preparation of boron nitride nanosheets and its application in polymer composites.

电子电力工业的快速发展对导热绝缘聚合物复合材料提出越来越高的要求，传统的热界面聚合物材料在一些场合下已经不能满足实际应用的需求，苯并唑类聚合物以其高强度、高模量、耐高温性能有望成为新型的高性能热界面材料。然而单纯的苯并唑类聚合物几乎没有导热性能，成为高导热绝缘应用中的瓶颈问题之一。本项目从苯并唑类聚合物的合成出发，利用高导热氮化硼纳米片为复合填料，实现具有高导热以及优异绝缘性能的氮化硼/聚苯并唑类复合材料的制备。通过研究不同结构单体分子与聚合物辅助剥离制备和分离对氮化硼纳米片层质量的影响，分析超声以及机械剪切作用下氮化硼纳米片的功能化特点和机理，建立氮化硼纳米片与苯并唑类聚合物的有效复合方法，揭示氮化硼纳米片和苯并唑类聚合物化学结构对复合材料导热绝缘、力学以及热稳定性能影响的一般规律，推动新型热界面聚合物材料的发展，为氮化硼纳米片的高质量大规模剥离制备及应用提供参考和借鉴。

随着电子器件向高度集成化和高功率化的发展,有效的散热成为了制约电子产品发展的主要因素。解决散热问题依赖于热管理材料的发展。传统的聚合物基热管理材料由于聚合物的本征导热性能差,导热系数低,往往不能满足实际散热应用的需要。目前,成本低廉且性能优异的聚合物基导热复合材料受到了广泛的关注,尤其是以氮化硼为导热填料的聚合物基复合材料备受关注。本项目工作按原计划执行，通过氮化硼纳米片为绝缘高导热填料展开，从而构建高导热以及优异机械性能的氮化硼/聚合物复合材料。主要研究内容包括: .1.研究不同结构单体分子与聚合物与氮化硼纳米片相互作用，结合氮化硼预处理，通过氢键，刘易斯酸碱以及π-π共轭等作用机制，实现了在超声以及机械剪切作用下氮化硼纳米片的高质量高浓度剥离和分散；.2.设计氮化硼纳米片-聚合物界面结构和作用，实现氮化硼纳米片与聚苯并咪唑，聚乙烯醇等聚合物的有效复合从而制备高导热高强度氮化硼/聚合物复合材料；.3.基于声子散射各向异性特点，引入二维MXene以及一维铜纳米线等多维度导热填料与氮化硼纳米片协同作用构建导热网络，实现聚合物复合材料导热性能的进一步提升。. 本项目深入考察研究了聚合物以及单体分子与氮化硼结构的反应机理, 分析了剪切场与超声场协同作用下对于氮化硼的剥离以及对剥离质量的影响。设计实现氮化硼纳米片与聚合物的有效复合, 通过不同填料相互作用形成相互搭接的导热网络结构，掌握复合材料最佳制备工艺，揭示氮化硼纳米片以及不同填料复合填充对复合材料导热, 绝缘、力学以及热稳定性能影响的一般规律, 推动新型热界面聚合物材料的发展，同时也为氮化硼纳米片的高质量大规模剥离制备以及二维纳米层状材料的制备与应用提供了参考和借鉴。