高导热聚合物复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种高导热聚合物复合材料及其制备方法与应用。本发明专利技术高导热聚合物复合材料包括聚合物基体和填充于所述聚合物基体中的三维氮化硼，且所述三维氮化硼在所述高导热聚合物复合材料中的体积分数为5-50％。本发明专利技术高导热聚合物复合材料采用三维氮化硼在聚合物基体中构建三维网络结构，在聚合物基体中建立了导热通道，从而赋予本发明专利技术高导热聚合物复合材料具有高导热系数，且其制备方法条件温和、易控，其工艺简单，安全环保。

【技术实现步骤摘要】
高导热聚合物复合材料及其制备方法和应用
本专利技术属于导热复合材料
，特别涉及一种高导热聚合物复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
随着电子科技的迅速发展，电子器件的功率和集成度日益提高，自1959年以来，器件的特征尺寸不断减小，已从微米量级向亚微米量级发展，同时集成度每年以40～50％高速度递增，这使得人们的注意力逐渐从宏观物体转移到微尺度器件上，尤其是近年来柔性电子飞速发展，更极大地推动了这一研究热潮。在电子设备中，相当一部分功率损耗转化为热的形式，因此任何具有一定电阻的微电子元器件对于运行中的微电子设备而言都是一个内部热源元器件的耗散生热会直接导致电子设备温度的升高和热应力的增加，对微电子设备的工作可靠性造成严重威胁，热失效已经成为电子封装中最主要的失效方式之一。传统导热材料如金属、金属氧化物、氮化物陶瓷及其它非金属材料因为自身的性能局限已无法满足现代电子技术发展的要求。迫切需要开发新型高导热聚合物复合材料以适应工业发展要求。自上世纪九十年代开始，聚合物/导热陶瓷复合材料的制备与应用引起了学术界和工业界的广泛关注。已有的研究表明，复合材料导热性能的提高主要取决于导热陶瓷的种类、含量、颗粒大小及形状、陶瓷颗粒与聚合物材料的异质相容性等。但是，目前大部分的研究结果所得导热系数都在5W/mK以下，已实现商品化的高导热环氧塑封料的热导率也仅有4W/mK左右。这些研究结果表明，仅仅通过简单添加高导热陶瓷粉末，难以在聚合物基复合材料中形成导热网络，难以制备具有高导热率的聚合物基复合材料。另外，当前三维氮化硼通常是通过化学气相沉积方式制备。具体的是通过将氮化硼的前驱体在高温下与反应附着在三维结构的模板(三维结构镍或石墨)。反应结束后，通过化学蚀刻方式除去模板得到三维结构氮化硼。如南京航空航天大学公开的采用泡沫金属为模板，通过化学气相沉积和化学蚀刻方式制得低密度、高热稳定性等优异性能的三维氮化硼泡沫。但是研究发现，该方法制备的泡沫金属的网络孔洞高达数百微米，在以此为模板制备的三维氮化硼泡沫，体积密度低，不利于其宏量制备。又如在复旦大学公开的一种三维氮化硼的制备方法，其也是采用化学气相沉积法，以过渡金属单质粉末或含过渡金属元素的化合物为催化剂，经过高温还原反应，制备出多孔金属催化剂骨架；再利用化学气相沉积法生长六方氮化硼，获得带有催化剂骨架的六方氮化硼粉体和三维氮化硼。该方法虽然采用过渡金属单质或含过渡金属元素的化合物为原料，且以多孔催化剂模板取代传统的泡沫金属模板使得比采用泡沫金属作催化骨架得到的三维氮化硼孔隙率更高；但是该方法依然是采用传统的化学气相沉积和化学蚀刻相结合方式，导致制备的三维结构氮化硼易碎，机械强度差。因此，当前通常化学气相沉积方法涉及高温反应(1000℃)和腐蚀性及爆炸性气体的使用，严重限制了三维氮化硼的使用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的上述不足，提供了一种高导热聚合物复合材料及其制备方法，以解决现有聚合物/导热陶瓷复合材料难以在聚合物基复合材料中形成导热网络，难以有效提高聚合物/导热陶瓷复合材料导热率的技术问题。本专利技术另一目的在于克服现有技术的上述不足，还提供了由本专利技术高导热聚合物复合材料的应用，以解决现有聚合物/导热陶瓷复合材料由于导热率不高而使用受限的技术问题。为了实现上述专利技术目的，本专利技术的一方面，提供了一种高导热聚合物复合材料，所述高导热聚合物复合材料包括聚合物基体和填充于所述聚合物基体中的三维氮化硼，且所述三维氮化硼在所述高导热聚合物复合材料中的体积分数为5-50％。根据本专利技术的另一方面，提供了本专利技术高导热聚合物复合材料的一种制备方法，所述高导热聚合物复合材料的制备方法包括如下步骤：将氮化硼纳米片、水与水溶性聚合物按照质量比为1:(1～50)：100的比例进行混合处理，得到混合物溶液；将所述混合物溶液进行冷冻处理形成冰冻混合液，并将所述冰冻混合液进行冷冻干燥处理，得到三维氮化硼前驱体；将所述三维氮化硼前驱体进行烧结热处理，得到三维氮化硼；将所述三维氮化硼浸渍于液体预聚物中，进行除气泡处理后进行热固化处理，得到高导热聚合物复合材料。根据本专利技术的又一方面，提供了本专利技术高导热聚合物复合材料的应用方法，具体地，所述高导热聚合物复合材料在电机领域、电子封装领域、LED封装领域以及航天航空军事领域中的应用。与现有技术相比，上述本专利技术高导热聚合物复合材料采用三维氮化硼在聚合物基体中构建稳定的三维网络结构，在聚合物基体中建立了导热通道，从而赋予本专利技术高导热聚合物复合材料具有高导热系数。上述本专利技术高导热聚合物复合材料的制备方法以三维氮化硼为三维网络结构体与液体预聚物进行热固化处理即可，实现在聚合物体中建立导热通道从而赋予本专利技术高导热聚合物复合材料具有高导热系数。同时，以氮化硼纳米片和水溶性聚合物为原料，采用冰模板法获得三维氮化硼，制备过程安全环保，使用的溶剂为水溶液，不涉及有机溶剂；而且反应条件温和、易控，其工艺简单，有效避免了如现有采用化学气相沉积方法制备三维氮化硼而涉及高温反应和腐蚀性及爆炸性气体等苛刻条件的使用，同时降低了三维氮化硼和本专利技术高导热聚合物复合材料的生产成本。其次，制备三维氮化硼密度低，孔隙率高，三维结构尺寸优异，具有良好的力学性能，提高了本专利技术高导热聚合物复合材料中的三维网络结构体的稳定性，使得本专利技术高导热聚合物复合材料导热性能稳定。正是由于本专利技术高导热聚合物复合材料具有高的导热系数，且导热性能稳定，因此，其可以更加广泛的应用于电机领域、电子封装领域、LED封装领域以及航天航空军事领域等领域中。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1为本专利技术实施例高导热聚合物复合材料的制备方法流程图；图2为实施例1制备的三维氮化硼的扫描电镜(SEM)图。具体实施方式为了使本专利技术要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例与附图，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术实施例提供了一种具有导热网络结构的高导热聚合物复合材料。在一实施例中，该高导热聚合物复合材料包括聚合物基体和填充与所述聚合物基体中的三维氮化硼，且所述三维氮化硼在所述高导热聚合物复合材料中的体积分数为5-50％。这样，该高导热聚合物复合材料采用三维氮化硼在聚合物基体中构建三维网络结构，在聚合物基体中建立了导热通道，从而赋予本专利技术高导热聚合物复合材料具有高导热系数，另外，在赋予该高导热聚合物复合材料具有高导热率的基础上，还能相对降低三维氮化硼的体积含量。经测定，本专利技术实施例提供的高导热聚合物复合材料的导热系数为0.3-10W/m.K。在一实施例中，本专利技术实施例提供的高导热聚合物复合材料中的三维氮化硼的密度控制为1.0～100mg/cm3；在另一实施例中，所述三维氮化硼的孔径为2～200μm。通过对三维氮化硼的密度和孔径进行控制，使得三维氮化硼构建的三维网络结构导热通道的导热性更好，且结构更加稳固，从而赋予本专利技术实施例提供的高导热聚合物复合材料高的导热率和导热稳定性。在一实施例中，所述聚合物为液体环氧树脂、液体氰酸酯、液体双马来酰亚胺、液体聚酰亚胺预聚物中的至少一种液体预聚物经热固化处理形成的聚合物。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高导热聚合物复合材料，其特征在于：包括聚合物基体和填充于所述聚合物基体中的三维氮化硼，且所述三维氮化硼在所述高导热聚合物复合材料中的体积分数为5‑50％。

【技术特征摘要】
1.一种高导热聚合物复合材料，其特征在于：包括聚合物基体和填充于所述聚合物基体中的三维氮化硼，且所述三维氮化硼在所述高导热聚合物复合材料中的体积分数为5-50％；所述三维氮化硼是由包括如下的步骤制备获得：将氮化硼纳米片、水与水溶性聚合物按照质量比为1:(1～50)：100的比例进行混合处理，得到混合物溶液；将所述混合物溶液进行冷冻处理形成冰冻混合液，并将所述冰冻混合液进行冷冻干燥处理，得到三维氮化硼前驱体；所述冷冻处理的冷冻温度为-20～-40℃，冷冻时间为12～24h；将所述三维氮化硼前驱体进行烧结热处理，得到三维氮化硼。2.根据权利要求1所述的高导热聚合物复合材料，其特征在于：所述高导热聚合物复合材料的导热系数为0.3-10W/m.K。3.根据权利要求1或2所述的高导热聚合物复合材料，其特征在于：所述三维氮化硼的密度为1.0～100mg/cm3；和/或所述三维氮化硼的孔径为2～200μm；和/或所述聚合物为液体环氧树脂、液体氰酸酯、液体双马来酰亚胺、液体聚酰亚胺预聚物中的至少一种液体预聚物经热固化处理形成的聚合物。4.根据权利要求3所述的高导热聚合物复合材料，其特征在于：所述热固化处理为阶梯式热固化处理，第一阶梯热固化处理的温度为80-140℃，时间为0.5-2h；第二阶梯热固化处理的温度为140-160℃，时间为0.5-2h；第三阶梯热固化处理的温度为160-200℃，时间为0.5-2h。5.一种高导热聚合物复合材料的制备方法，包括如下步骤：将氮化硼纳米片、水与水溶性聚合物按照质量比为1:(1～50)：100的比例进行混合处...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙蓉，曾小亮，王芳芳，许建斌，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44