聚丙烯/氮化硼/氧化铝导热复合材料的制备及性能研究

作     者：陈厚振 

作者单位：中原工学院 

学位级别：硕士

导师姓名：王艳芝;杨振民

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：聚丙烯 氮化硼 氧化铝 导热性能 数值模拟 

摘      要：聚合物基导热复合材料因其质轻、易加工、耐腐蚀等特性,广泛用于5G通信、电子封装以及能量传输等行业。但是聚合物自身导热性能较差,当前向其填充高导热粒子仍是一种简便、高效制备新型导热复合材料的方法。为获取新型导热复合材料,采用价格低廉、来源广泛的聚丙烯（PP）为基体,氮化硼（BN）、氧化铝（AlO）为填料,使用熔融共混法制备了一系列PP复合材料;使用激光导热仪、万能试验机、扫描电子显微镜（SEM）、差示扫描量热仪（DSC）等研究了填料粒径、填充量对PP微观结构、热学和力学宏观性能的不同作用;最后,采用数值模拟技术模拟分析了填料对复合材料导热性能的影响及其影响规律。具体工作内容如下:（1）以PP为基体、四种BN为导热填料制备了一系列PP/BN,经研究发现,添加BN能够提高PP/BN的导热系数和结晶能力,增强其弯曲模量和冲击强度,但拉伸性能变差;在BN填充量为20%,粒径20μm BN制备PP/BN的导热系数达到0.4540 W·m·K;而BN在同等粒径时,不同合成工艺BN在PP基体中有着不同异相成核作用,对PP/BN中PP的结晶度影响较大。（2）以粒径45μm、20μm和5μm的三种AlO为填料制备PP/AlO复合材料,研究表明,随着AlO质量占比增大,材料的导热系数和弯曲模量得到改善,而弯曲强度表现为先降低后升高,冲击强度和断裂伸长率则是先升高后降低;与添加20μm和5μm AlO的PP/AlO相比,添加粒径45μm AlO制备PP/AlO的结晶峰温度较纯PP提高近9℃,熔限相对较窄,且在同等填充量下其断裂伸长率、弯曲模量以及冲击强度均优于较小粒径AlO。（3）为了探究填料种类、形貌和粒径之间相互协同作用对PP复合材料性能的影响,通过填料混杂优化导热通路,加快热载流子传播速度,使PP/BN/AlO的导热系数较纯PP提高158.78%,同时进一步提高了复合材料中PP的结晶峰温度;在PP/BN中加入部分AlO能够很好的增大弯曲和冲击强度,但削弱了拉伸强度;在LED灯散热实验中,对比发现PP/BN/AlO能够有效降低LED的工作温度,具有一定的实用价值。（4）为了进一步研究填料对PP复合材料导热性能的影响,借助有限元分析技术对复合材料进行了等效导热系数计算,并与实验结果、经典理论模型相对比,验证了模型可行性;同时通过观察温度云图发现,相比于单一填料,混杂填料填充能够进一步优化材料内部导热通路,致使复合材料的导热能力表现为各向同性。