环氧树脂/纳米二氧化硅包覆多壁碳纳米管/二氧化硅复合材料的导热绝缘行为

在保持电绝缘性能的前提下，有效地提高高分子材料的导热性能是摆在材料科学家面前的一道难题。本申请项目采用结构设计方法，将纳米二氧化硅均匀地包覆在多壁碳纳米管表面，制备电绝缘的碳纳米管杂化物（SiO2@MWNT）。然后将其与一定量的微、纳米SiO2同时分散于环氧树脂中，制备环氧树脂/SiO2@MWNT/SiO2复合材料。研究复合材料的组成、结构、微纳米SiO2的结晶特性对复合材料导热、导电与力学性能的影响规律。包覆在MWNT表面的纳米SiO2，一方面起绝缘作用，屏蔽MWNT的导电功能；另一方面，起界面层作用促进MWNT在环氧树脂中的均匀分散以及环氧树脂与MWNT之间的界面粘接。同时，添加的微、纳米SiO2起晶桥作用，有利于减少界面声子散射、增加热流在聚合物复合材料中的传输，从而制备出高性能的导热绝缘高分子复合材料，为高导热绝缘电子封装材料的研究和开发提供新的方法和理论基础。

以多壁碳纳米管为研究对象，采用sol-gel法，可控制备了不同包覆层厚度的纳米二氧化硅包覆碳纳米管杂化物（SiO2@MWNT），研究了SiO2@MWNT的结构与性质；不同厚度的纳米二氧化硅包覆在多壁碳纳米管表面，该结构为同轴电缆型结构。通过溶液共混、超声分散等方式，将制备的SiO2@MWNT及纳米SiO2与咪唑固化双酚A型环氧树脂体系复合形成环氧树脂/ SiO2@MWNT/SiO2复合材料，制备了环氧基导热、高（电）阻复合材料，研究了SiO2无机包覆层对复合材料相关性能的影响，并系统的研究了复合材料的组成和结构与其力学性能、导热系数及电导率之间的关系。. 为了进一步考察包覆层对复合材料的导热及导电性能的影响，利用"grafting from"方式将超支化聚（脲-氨酯）接枝在多壁碳纳米管表面（HPU@MWNT），并将此填料填充环氧树脂，研究了相关结构与性能。同时为了进一步考察制备的杂化碳纳米管的普适性，将两类碳纳米管杂化材料填入聚氨酯基体中，制备了导热电绝缘的聚氨酯复合材料。. 因此，本项目在实验上成功制备了无机纳米二氧化硅包覆碳纳米管和超支化聚合物接枝碳纳米管两种杂化物，并将两种填料作为导热填料分别填充到环氧基体中。epoxy/ SiO2@MWNT与epoxy/HPU@MWNT复合材料的实验结果相互佐证，揭示这两种填料由于界面包覆层的作用，对环氧树脂力学性能有很大的改善，而且在保持基体电缘性前提下显著地改善了基体的导热性。而SEM及DMA表征进一步揭示了这种强的界面包覆层作用。该结果预示这两类高分子基复合材料独特的导热、低电导率特性，在制备具有高性能的导热电子封装材料方面具有广阔的应用前景。. 同时理论上，运用界面模量调配概念，揭示碳纳米管表面相应的包覆层能调配碳纳米管与高分子基体界面的模量，使碳纳米管与聚合物界面之间的声子模量匹配，促进声子在界面的连续传播，减少声子在界面的散射，增强界面热流的传输，从而改善了复合材料的导热性能；该理论的借鉴、运用与诠释进一步为制备具有高导热系数的聚合物基电子封装材料提供新的理论支持和技术革新方法。. 该项目的实施在人才培养方面做出了贡献，参与培养1名博士后，两名博士生，两名硕士生。同时该项目申请3项发明专利，两项已授权；发表13篇论文，其中SCI收录5篇，EI收录3篇，中文核心1篇，会议论文4篇。