论文总字数：18415字

摘 要

高分子材料凭借极佳的电绝缘性、化学稳定性、易加工性等被广泛应用于电子领域，但是其导热性能很差，限制了它的一些应用。本课题开发了一种可以大大提高高分子材料导热性能的方法。

本课题选用同时具备高导热性和绝缘性的氮化硼作为填充粒子，聚苯乙烯作为基体，同时添加了第三相的PP粒子——在减少导热填料添加量的同时能够起到挤压作用，从而促进BN在基体中形成三维导热网络。最后采用溶液共混-热压的方法成型。系统探索了该三元体系最佳热压温度、最佳原料配比、BN填充量对三元体系和未加PP粒子的二元体系的影响、三元体系的理论密度和实际密度对材料热导率的影响以及材料的耐热冲击性能和耐热老化性能。最终在BN质量分数为50%，PS:PP=1:5，热压温度为170℃的条件下，材料的热导率达到了5.57W/(m·K)。使得高分子材料的导热性能得到大幅度的提高。

关键词：高分子材料 导热性能 绝缘 氮化硼 三元体系

Preparation and Thermal Conductivity of BN/PS Composites

Abstract

Polymers have been widely used in electronics fields because of its superb electrical insulation; excellent chemical stability and good processability, etc. But its thermal conductivity is very poor, so it limits some of its applications. This task designed a method which can improve polymers’ thermal conductivity greatly.

This task selected BN as thermal conductive filler which possesses high thermal conductivity and high electrical insulation; polystyrene as matrix; and added the third phase PP particle ,which can decrease the amount of filler and also be beneficial to the formation of 3D heat conduction networks. Finally, we prepared the PS/PP/BN ternary composites with 3D segregated filler networks by solution-mixing and hot-pressing method. Systematically explored the best hot pressing temperature of ternary composites; best raw material ratio of ternary composites; the influence of BN contents on thermal conductivity for ternary and binary composites; the effect of relative density on thermal conductivity; the temperature shock resistence and ageing resistence of ternary composites. The ternary PS/PP/BN composite containing 50 wt% BN achieves the thermal conductivity of 5.57 W/(m·K). The thermal conductivity of polymer material is improved greatly.

Key words: Polymers; Thermal conductivity; Electrical insulation; BN; Ternary composites

目 录

第一章 概述 1

1.1引言： 1

1.2本征型导热高分子 2

1.3填充型导热高分子 2

1.3.1导热填料的选择 3

1.3.2存在的问题及改善方法 4

1.4本课题研究的目的和意义 5

第二章 实验部分 7

2.1实验原料 7

2.2实验设备 7

2.3实验流程 7

2.4实验设计 8

2.4.1探索三元体系最佳热压温度 8

2.4.2探索三元体系PS:PP最佳配比 8

2.4.3探索三元体系热导率随BN添加量的变化 9

2.4.4三元体系与二元体系热导率的对比 9

2.4.5理论密度与实际密度对比 9

2.4.6可靠性实验 9

2.5表征 10

2.5.1热导率表征 10

2.5.2形态表征 11

第三章 结果与讨论 12

3.1三元体系最佳热压温度 12

3.2三元体系最佳配比 14

3.3 BN填充量对三元体系的影响 16

3.4三元体系与二元体系热导率的对比 18

3.5密度分析 19

3.6可靠性实验 20

第四章 总结 23

参考文献 24

致 谢 26

第一章 概述

1.1引言：

高分子材料凭借极佳的电绝缘性、化学稳定性、易加工性等被广泛应用于电子领域：电器外壳、电子封装、电线电缆等。但是其导热性非常的差，大大限制了它的一些应用。

电子器件在运行时会产生大量的热量，如果热量不能及时散除，会严重影响电器的运行速度、使用的安全性以及电器的使用寿命。随着电子器件的小型化和精密化，使得器件易处于高温状态，所以对材料导热性能的要求也越来越高。相较于热导率在200W/(m·K)~300W/(m·K)的金属来说，高分子材料作为导热材料实在不是一个好的选择，但是高分子材料具备金属无可比拟的高电绝缘性和易加工等性质，可应用在金属不能应用的场合。

高分子的热导率一般都非常的低，只有0.01~0.5W/(m·K)，这主要归因于其复杂的链结构。在固体中，导热载体主要包括电子，声子和光子。由于大部分的高分子材料是电绝缘体，所以主要通过声子运动导热。但由于高分子内部结构复杂，有很多缺陷，并且大部分高分子的结晶度都较低，缺乏有序性，无法形成连续的导热通路，因此热导率普遍很低^[1]。

在过去的几十年里，已经有很多科研工作者尝试用各种各样的方法改善高分子材料的导热性能。按照制备工艺，导热高分子可分为本征型和填充型两种^[1]。本征型导热高分子中如聚苯胺、聚乙炔等一类高分子由于其主链含有共轭机构，声子和电子均可以通过，因此其导热性能和导电性能均较好，但由于共轭结构会导致分子链刚性较大，因此无法被广泛使用；另一类是通过提升分子链的有序排列和规整度来构建声子传导的通路，通常采用静电纺丝和机械拉伸的方法，此类本征型导热高分子可以同时具备较高的导热性能和较好的绝缘性能，但是由于静电纺丝和机械拉伸构建的材料稳定性较差且制备难度均较高，无法实现工业化的生产。填充型导热高分子是将导热粒子填充到高分子材料中以增强材料的导热性能。填料的形状大小、填充量、在基体内的分散度以及界面热阻等都会影响到高分子材料的热导率。填充型导热高分子由于其制备过程较为简单，是目前普遍用来改善高分子材料导热性能的方法。

1.2本征型导热高分子

本征型导热高分子主要通过提升分子链的有序排列和规整度来提升高分子材料的导热性能，通过该方法制备的高分子的导热系数能够超过100W/(m·K)，近似于部分金属材料的热导率，但其制备工艺繁琐，成本高、难度大，无法工业化生产，尚停留在实验室阶段^[1]。

由于高分子内部结构复杂，有很多缺陷，且大部分高分子的结晶度较低，缺乏有序性，无法形成导热通路，热导率普遍较低。因此我们可以通过提升高分子链的有序性来提升高分子材料的热导率。

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