导热相/介电相/聚合物复合材料的微结构调控及其导热、介电行为的研究

电子器件密集性及其工作频率的日益提高,要求电子封装和基板材料具有高的热导率以增强散热能力，同时还需具有小的介电常数和损耗以增加信号传输的速度、降低信号衰减。鉴于传统聚合物或单一填充物填充的复合材料作为封装和基板材料时，都不能同时满足上述性能要求，本研究拟在聚合物中同时填充高热导率陶瓷颗粒（纤维）和低介电常数的中空玻璃微球。为获得优化的高导热和低介电常数，本研究将基于混合时聚合物的状态(颗粒或溶液)，通过预制陶瓷颗粒包裹中空微球的复合填充物，调控填充物的形态、尺寸、含量的配比，修饰填充物表面等手段，致力于在聚合物中形成热导陶瓷包裹中空微球且自身相互搭接的导热网络结构，阐明导热网络结构的形成规律和机理。在此基础上，深入研究具有网络结构的三相复合材料的导热和介电行为，构建相关的理论或经验模型。本研究将加速发展新一代封装和基板材料，并将为多功能复合材料的微结构设计与性能优化提供理论和实验依据。

围绕着电子封装和基板材料要求具有高的热导率，同时还需具有小的介电常数和损耗，从两类材料体系展开了系统研究。当以环氧树脂为复合材料基体，首先系统研究了不同密度和含量的中空玻璃微球（HGM）填充的树脂基复合材料的导热、介电和压缩性能。在此基础上，为制备HGM和氮化物填充的复合材料，开展了氮化物颗粒包裹HGM形成核壳结构的HGM@氮化物的制备，即通过聚电解质（PE）使HGM及氮化物表面带上符号相反的电荷，在静电场作用下，小尺寸的氮化物被吸引到大尺寸的HGM表面而形成HGM@氮化物复合填充物。系统探讨了HGM表面预处理、溶液PH值、溶剂、PE粘度对HGM@氮化物形成的影响。HGM和氮化物填充的复合材料的实验结果表明，填充核壳结构的复合填充物比简单填充两种填充物制备的复合材料能够获得更好的热导率，尤其是当聚合物基体为热塑性的低密度聚乙烯(LDPE)。但是，HGM@氮化物制备过程中可能残留一些极性基团，这些极性基团对复合材料的介电性能造成了不利影响。以热塑性的LDPE为复合材料基体，系统研究了HGM表面处理、密度、含量对HGM/LDPE复合材料导热、介电性能的影响。在此基础上，对(氮化物+HGM)/Epoxy复合材料的导热和介电性能与氮化物/HGM的相对比例、总的填充物含量、表面修饰、填充物和基体材料的颗粒尺寸的关系开展了系统研究。借助SEM分析，发现当以颗粒状的LDPE为基体时，填充物积聚于LDPE颗粒周围，形成了氮化物陶瓷颗粒的导热网络结构。填充物的这种特殊分布结构使复合材料的热导率提高到0.82W/mK，并且保持了较低的介电常数（2.393）和损耗（1.75*10^-3）。最后，综合LDPE和Epoxy两种基体材料的特点，制备了(氮化物+HGM)/(LDPE+Epoxy)复合材料，并研究了LDPE/Epoxy的相对比例、氮化物+HGM含量对其导热、介电性能的影响。结果发现，在树脂中引入合适比例的LDPE，并填充有氮化物和HGM，可使制备的复合材料热导率达到0.7W/mK，介电常数和损耗分别为3.123和1.1*10^-2。