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淺談環(huán)氧樹脂基導(dǎo)熱復(fù)合材料

來源: 發(fā)布時間:2024-11-12

環(huán)氧樹脂以其優(yōu)異的機械性能、粘接性能和耐化學(xué)腐蝕性,**應(yīng)用于各個領(lǐng)域。近年來,隨著材料科學(xué)的發(fā)展,環(huán)氧樹脂的應(yīng)用范圍進一步擴大,特別是在導(dǎo)熱復(fù)合材料領(lǐng)域。本文將詳細介紹環(huán)氧樹脂的多種應(yīng)用,特別是導(dǎo)熱復(fù)合材料在電子封裝和航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景。


一、環(huán)氧樹脂的基本特性


環(huán)氧樹脂是一種熱固性聚合物,其獨特的分子結(jié)構(gòu)使其具有高度的機械強度和化學(xué)穩(wěn)定性。環(huán)氧樹脂在固化后形成的交聯(lián)結(jié)構(gòu),賦予其優(yōu)異的耐熱性和電絕緣性。此外,環(huán)氧樹脂還具有良好的粘接性能,可以與各種材料形成牢固的結(jié)合,這使其在涂料、膠黏劑和復(fù)合材料中得到了**應(yīng)用。


二、環(huán)氧樹脂基導(dǎo)熱復(fù)合材料


隨著電子設(shè)備的不斷小型化和高功率化,散熱問題變得尤為重要。傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂由于其較低的熱導(dǎo)率,難以滿足高熱流密度的散熱需求。因此,研究人員通過在環(huán)氧樹脂中添加導(dǎo)熱填料來提高其熱導(dǎo)率,開發(fā)出了多種導(dǎo)熱復(fù)合材料。


2.1 金屬填料


金屬填料如銅、銀和鋁具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能,被**用于環(huán)氧樹脂基導(dǎo)熱復(fù)合材料中。研究表明,通過添加適量的金屬填料,可以**提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。例如,通過在環(huán)氧樹脂中加入鋁顆粒,制備Al/EP復(fù)合材料,當(dāng)鋁顆粒含量達到48%時,復(fù)合材料的熱導(dǎo)率達到1.03 W/(m·K)。將銀納米粒子散布在Al2O3 薄片表 面,填充進環(huán)氧樹脂中制成一種導(dǎo)熱復(fù)合材料,加入的銀納米物質(zhì)在體系中充當(dāng)了橋梁,將相鄰的 Al2O3 薄片互相連接起來,當(dāng)這種填充材料在環(huán)氧樹脂中添加量達到50%左右時,復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)達到6.71W/(m·K)。


2.2 氧化物和氮化物


一般使用的氧化物填料主要有Al2O3 、SiO2 及 ZnO等材料。ZnO熱導(dǎo)率不高,但是價格低,填充量大,應(yīng)用較為**。將氧化鋅晶須(ZnOw)填充到EP基體中,制備了導(dǎo)熱性高的ZnO/EP材料,在ZnOw含量為10%時,復(fù)合材料的熱導(dǎo)率約為純EP的3倍。將納米Al2O3 /EP復(fù)合層夾在兩個微米Al2O3/EP復(fù)合層之間,形成一種“三明治”結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。研究后發(fā)現(xiàn),新材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.447W/(m·K),擊穿強度為68.50kV/mm,對于需要高性能復(fù)合材料的電氣設(shè)備而言,這種技術(shù)具有重要意義。


2.3 碳系填料


碳納米管(CNTs)和石墨烯等碳系填料由于其優(yōu)異的熱導(dǎo)率和機械性能,也被**應(yīng)用于環(huán)氧樹脂基導(dǎo)熱復(fù)合材料中。研究顯示,通過添加碳納米管,可以將環(huán)氧樹脂的熱導(dǎo)率提升至原來的14倍以上。


2.4 碳化物


SiC具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、優(yōu)異的耐磨性和高的導(dǎo)熱系數(shù),是*常用的碳化物填料。通過在EP中分別加入SiC3.5 、SiC40 和 SiC90 填充材料,制備出具有優(yōu)異性能的SiC/EP高熱傳導(dǎo)環(huán)氧復(fù)合材料。研究表明,隨著填充物含量的增加,復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)首先增大,后又減小,其中1.09W/(m·K)、1.11W/(m·K)、1.35W/(m·K)分別為SiC3.5、SiC40、SiC90復(fù)合材料熱導(dǎo)率的*大值。


三、環(huán)氧樹脂在電子封裝中的應(yīng)用


在電子封裝領(lǐng)域,環(huán)氧樹脂常用于芯片封裝材料。由于其優(yōu)異的機械性能和電絕緣性,環(huán)氧樹脂可以有效保護芯片免受機械應(yīng)力和外界環(huán)境的影響。此外,通過添加導(dǎo)熱填料,環(huán)氧樹脂基導(dǎo)熱復(fù)合材料可以有效解決芯片在工作過程中產(chǎn)生的熱量問題,從而延長電子器件的使用壽命。


四、環(huán)氧樹脂在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用


在航空航天領(lǐng)域,材料的輕量化和高性能化是關(guān)鍵要求。環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料由于其優(yōu)異的機械性能和耐環(huán)境性能,被**應(yīng)用于飛機和航天器的結(jié)構(gòu)部件中。例如,環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料常用于制造飛機的機翼、機身和尾翼等部件。這些材料不僅具有**度和高剛性,還能**減輕飛機的自重,提高燃油效率。目前,我國在火箭發(fā)動機外殼的制造中,已 成功將玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料和芳綸/環(huán)氧復(fù)合 材料應(yīng)用在了發(fā)動機殼體之內(nèi),這樣一來,火箭發(fā) 動機的質(zhì)量就能**減輕,發(fā)動機性能就能得到 **提升。此外,環(huán)氧樹脂基導(dǎo)熱復(fù)合材料在航空電子設(shè)備中的應(yīng)用也越來越**。通過添加高效導(dǎo)熱填料,可以**提高環(huán)氧樹脂的熱導(dǎo)率,從而有效散熱,確保航空電子設(shè)備在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定運行。


五、未來發(fā)展方向


雖然環(huán)氧樹脂基導(dǎo)熱復(fù)合材料在許多領(lǐng)域取得了**進展,但仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先,如何在提高熱導(dǎo)率的同時,保持材料的機械性能和電絕緣性,是一個重要課題。其次,導(dǎo)熱填料在環(huán)氧樹脂基體中的均勻分散和界面結(jié)合問題也需要進一步研究。


未來,隨著納米技術(shù)的發(fā)展,新型納米填料的引入有望進一步提升環(huán)氧樹脂基導(dǎo)熱復(fù)合材料的性能。此外,通過優(yōu)化填料的形態(tài)和尺寸,以及改進復(fù)合材料的制備工藝,可以實現(xiàn)導(dǎo)熱、機械和電性能的綜合提升。


來源:網(wǎng)絡(luò)


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