基于納米氮化硼的環氧樹脂復合材料性能研究

何 棟，唐 婷

（西安航空職業技術學院，陜西西安 710089）

在高度集成化的工藝下，電氣電子設備制造水平逐步提升，設備單位體積內形成的熱量大幅增加，若缺乏合理的散熱措施，將加快絕緣電解質的老化速度，不利于電氣電子設備的穩定運行，使其耐久性受到影響。根據研究得知，伴隨電子器件溫度的提升，每上升2℃時均伴隨有10%～20%的性能下降情況，且壽命僅為正常狀態下（25℃工作環境）的1/6[1]。基于此，電子電器設備若要實現持續性運行，就必須解決散熱問題，該文以環氧樹脂(EP)為基礎，探究微米復合材料(EPM)以及納米復合材料(EPN)材料的性能。

1 實驗部分

1.1 原材料

TE828EL型環氧樹脂(EP)，脂環胺類固化劑，4,4'-二氨基二環己基甲烷(PACM)，六方氮化硼（粒徑為2μm）以及納米BN（規格：長100nm，厚10nm）。

1.2 復合材料的制備

選取PACM與BN，將其轉移到恒溫80℃環境中持續干燥2h，選取EP材料將其轉移到60℃恒溫環境中，持續干燥15min～30min，以達到降低勃度的效果。將EP與PACM有效混合，轉入MT300型攪拌機內，在其輔助下攪拌脫泡處理；摻入BN，再次攪拌使其足夠均勻，確保在EP中均勻分散。此后，利用KQ2200型超聲波清洗器加以處理，通過超聲振蕩的方式破碎處于團聚狀態的填料，當完成脫泡作業后，將所得材料靜置15min。將材料導入鋼模內，轉移至真空干燥箱中，經15min的持續性真空脫泡后，創建80℃、120℃以及150℃三種環境，分別對其加熱2h，主要目的在于避免填料固化時的沉降現象，頻繁將試樣倒置（操作間隔時間為0.5h），當其溫度與所處室溫相同時即可脫模，最終得到復合材料試樣，此處將微米BN復合材料稱為EPM，將納米BN復合材料稱為EPN[2]。

2 結果與討論

2.1 復合材料的斷面形貌

針對制備的EPM與EPN展開分析，獲得斷面微觀形貌，具體情況如圖1所示。基于圖1(a)、(c)得知，若填料質量分數為5%，樹脂基體包裹效果好，通過對環氧樹脂基體的分析得知，該處均勻分布有大量的填料。基于圖1(b)、(d)得知，若填料質量提升至15%，此時存在填料間搭接的現象，但尚未大范圍聚集，存在于樹脂基體中的填料分布具有較好的均勻性。

圖1 各BN質量分數下EPM和EPN的斷面微觀形貌Fig.1 Cross section morphology of EPM and EPN with different BN mass fraction

2.2 填料質量分數和形貌對熱導率的影響

實際檢測過程中，若填料處于不均勻分布狀態，將直接對所得結果造成影響。對此，關于材料熱導率檢測工作，需采取換面測試的方式，要求正、反面所對應的測試次數分別為3次，根據所得數據求得平均值，具體結果如圖2所示。

圖2 各BN質量分數復合材料的熱導率Fig.2 Thermal conductivity of composites with different BN mass fraction

從圖2熱導率來看，EPN明顯大于EPM，主要原因在于微米BN間含有大量的點接觸現象，相比之下納米BN則采取的是面接觸的方式，由于形成大范圍接觸，因此會構成連續性的導熱網鏈。此外，伴隨填料質量分數的提升，所對應的熱導率也隨之增大，若質量分數超過10%，將呈現出更為明顯的熱導率提升現象；BN納米片質量分數達到15%時，此時EPN所具備的熱導率為0.61W/(m·K)，明顯超出了純環氧樹脂熱導率。分析此現象的成因，當填料質量分數處于較低水平時，不利于填料間的接觸，此時各填料與樹脂基體呈現的是串聯結構，因此并未出現明顯的熱導率增加現象；反之，若填料質量分數相對較高，此時填料間相繼發生接觸，導熱網鏈的范圍逐步擴大，于填料與基體間產生了并聯結構，在此環境下伴隨填料質量分數的不斷加大，所呈現出的導熱網鏈更加緊密，自然會大幅提升材料熱導率。

2.3 復合材料的電氣強度

關于復合材料的性能分析，交流電氣強度也尤為關鍵，因此在多種BN質量分數下獲得各自對應的EPM與EPN試樣。根據既有研究結果得知，試樣厚度會對檢測結果帶來影響，為提升結果精確性，需嚴格控制試樣厚度，本次研究中采取的是厚度300μm的標準，檢測兩類材料所對應的交流電氣強度情況，具體如圖3、圖4所示。此外，針對63.2%擊穿概率下的電氣強度展開對比分析，所得結果如圖5所示。總體上，兩大復合材料的電氣強度變化特性大體相同，伴隨BN質量分數的提升，都表現出先增后減的趨勢。若填料質量分數為1%，各自對應的電氣強度都達到了極限狀態，相較于純環氧樹脂而言，EPN與EPM在此指標上的增幅分別為4%和3.4%；伴隨BN質量分數的變化，當該值超過1%，此時兩材料的電氣強度都呈現出下降的趨勢，而在微米BN的作用下，將明顯加大電氣強度的降幅；若BN質量分數達到15%，將兩類材料與純環氧樹脂對比分析，得知EPN和EPM的電氣強度都有大幅度下降的現象，分別下降25.3%和34.2%。此外，若建立在BN質量分數相同的前提下，EPN的電氣強度相對更高。

圖3 威布爾分布下EPM的交流電氣強度Fig.3 AC electric strength of EPM under Weibull distribution

圖5 各BN質量分數下EPM和EPN的電氣強度Fig.5 Electrical strength of EPM and EPN at different BN mass fraction

根據上述內容，若BN質量分數在1%以內，此時在微、納米的作用下復合材料所具備的電氣強度都呈現出提升的趨勢，具體原因有：①微、納米的比表面積相對較大，因此水分與分子鏈間的連接效果隨之提升，界面結構更加穩定，可阻礙初始電子的運動，避免基體內部缺陷；②所使用的微、納米BN填料較為特殊，具備散射載流子的能力，加大了載流子被捕捉的概率，此舉可有效控制載流子自由行程，制備的復合材料具有更加優良的電氣強度；③根據復合材料的基本特性，在無機填料的作用下，明顯阻礙了材料內部擊穿通道，避免其大范圍發展。

2.4 復合材料的介電常數

以環氧樹脂為原材料，向其中加入BN后，將產生有機-無機界面，此舉可達到提升材料節點性能的效果。在多種BN質量分數下，明確 EPM與EPN各自對應的質量分數，具體結果如圖6所示。

圖6 各BN質量分數下EPM和EPN的介電常數與溫度的關系Fig.6 Temperature dependence of dielectric constant of EPM and EPN with different BN mass fraction

由圖6可知，在溫度不變的前提下，伴隨BN質量分數的提升，均呈現出介電常數加大的現象，且兩類材料都明顯超過純EP介電常數。分析其原因：①就介電常數這一指標來看，BN明顯超過EP，當采取的是在EP中摻入BN的方式，將提升復合材料介電常數，且與填料質量分數表現出近似正比的關系；②若向EP中加入適量的無機填料，則會產生豐富的有機-無機界面，該處存在明顯的電荷聚集現象，加深了界面極化程度，在其作用下復合材料介電常數將表現出提升的趨勢；③若填料中質量分數處于較大水平，BN粒子則會出現明顯的團聚現象，使其粒徑明顯加大，環氧樹脂分子間距相繼擴大，有助于極性基團的偶極取向，此時介電常數也將加大。

無論是環氧樹脂還是復合材料，伴隨溫度的提升，二者的介電常數都表現出增加的趨勢，若溫度處于較高值，此時介電常數的增加幅度更為明顯。當溫度較低時，大量極性分子趨近于凍結狀態，松弛時間逐步延長，僅存在微弱的松弛極化現象，因此介電常數相對較小。而在溫度不斷提升之下，此時松弛極化較為明顯，伴隨介電常數提升的現象。

2.5 復合材料的電導特性分析

若溫度在40℃以內，建立在溫度不發生變化的前提下，純環氧樹脂和復合材料均具備相同的電導特性，即伴隨時間的延長，出現的體積電導電流呈逐步衰減的趨勢。分析其成因，在低溫低電場環境中，電極雖然注入電荷但數量極少，此時僅在雜質離子的作用下出現電導現象，且伴隨極化電流時間的延長，該現象逐步衰減[3]。若溫度持續提升，使得體積電導電流不斷提升，當該值超過60℃時，將出現體積電導電流增加的趨勢，主要原因在于高溫環境下分子存在明顯極化現象，此時極化電流不再衰減。

3 結論

(1)因填料質量分數的提升，使得復合材料熱導率表現出逐步加大的趨勢，若BN質量分數不發生改變，在納米BN的作用下將明顯加大復合材料熱導率，該值明顯超出微米BN。

(2)因填料質量分數的提升，使得EPM與EPN的電氣強度均呈現出先增后減的變化特性。當質量分數為1%時，二者電氣強度均達到極限值；若填料質量為15%，均呈現明顯下降趨勢；在填料質量分數穩定不變的前提下，EPN的電氣強度明顯大于EPM。