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作者：苏立颖青岛科技大学

学位级别：硕士

随着5G时代的到来,现代电子设备正迅速向着功能化、小型化方向发展,在有限的区域内,电子设备的高速运行不可避免地会产生大量的热,若不能及时有效地散热,不仅会影响电子器件安全稳定的运行,而且会降低电子设备的寿命。此外,电子设备发... 详细信息

随着5G时代的到来,现代电子设备正迅速向着功能化、小型化方向发展,在有限的区域内,电子设备的高速运行不可避免地会产生大量的热,若不能及时有效地散热,不仅会影响电子器件安全稳定的运行,而且会降低电子设备的寿命。此外,电子设备发射的电磁波会干扰邻近电子元件,影响电子设备的可靠运行。高分子材料因其重量轻、柔韧性好、易于加工和优异的耐腐蚀性等特点,在日常生活中得到了广泛的应用。然而,大多数聚合物材料展示出极低导热性和导电性能,极大地限制了其在电子器件中的应用。因此,发展制备高导热性能和导电性能的聚合物材料,赋予其优异的热管理和电磁屏蔽性能,使其兼具多功能性,将会极大推动其在电子领域的应用,具有广泛而深远的意义。本论文受天然贝壳结构、界面启发,通过加入氮化硼、石墨烯填料,构筑贝壳砖泥结构和纤维框架结构,赋予聚合物材料优异的导热性、电磁屏蔽性能以及高的力学性能。具体研究分以下三个内容:(1)以块体氮化硼(BN)为原始材料,利用N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶剂,采用大小球混合球磨技术,剥离制备了无平面缺陷、少层的氮化硼纳米片(BNNS)。剥离的BNNS分散液通过离心浓缩后,与聚偏氟乙烯(PVDF)均质混合,通过刮涂技术一步制备大面积、层状的BNNS/PVDF纳米复合薄膜。高品质的氮化硼纳米片在纳米复合材料里排列成定向有序的层状结构,赋予复合薄膜较高的面内导热系数和较低的垂直面导热系数。当掺入60 wt%的氮化硼纳米片时,复合薄膜的面内导热系数高达11.88 W mK,比纯聚偏氟乙烯膜高出两个数量级。其垂直面导热系数仅为0.41 W mK,与纯聚偏氟乙烯膜的导热系数相当。此外,该BNNS/PVDF复合薄膜表现出优异的柔韧性,可以折叠而不断裂,在电子设备的热管理方面具有很大的应用前景。(2)以芳纶纳米纤维(ANF)和氮化硼纳米浆料(BNNS)为原料,采用刮涂技术制备大面积溶胶薄膜,经溶胶-凝胶转换、干燥过程,成功构筑层状结构和纳米纤维框架结构的的BNNS/ANF纳米复合薄膜。当BNNS的质量分数为20 wt%时,薄膜表现出较高的导热系数(14.03 W mK),是纯ANF薄膜的103倍,这归因于BNNS纳米片之间形成了大量连续的导热通路,从而促进了声子的快速传输。该薄膜具有优异的力学性能(应力97.14±5.17 MPa),应变(19.36±0.35%)、较高的分解温度(约为542℃)、中等介电常数(10Hz时,约为6.9)和低的介电损耗(10Hz时,约为0.026)。同时,薄膜具有较高的击穿电压(310 m V m)和体积电阻率(10Ωcm)。值得注意的是,这些介电特性在很宽的温度范围内(25-200℃)基本保持不变。高性能仿生氮化硼基纳米复合材料的制备为其在柔性器件、耐折叠电子设备等领域的应用提供材料基础。(3)以芳纶纳米纤维(ANF)和石墨烯纳米浆料为原料,采用刮涂技术制备厚度均匀石墨烯基溶胶薄膜,经过溶胶-凝胶过程和喷涂工艺,成功制备了具有层状结构的高强度、柔性、超疏水的石墨烯纳米片/芳纶纳米纤维(GNS/ANF)纳米复合薄膜。该薄膜具有优良的力学性能,其拉伸强度(131.17±2.77 MPa)、断裂应变(9.58±0.58%)和良好的韧性(8.84±0.74 MJ m)分别是纯石墨薄膜的26.2倍、7.5倍和221.0倍。这些结果归因于三维纳米纤维网络的拉伸变长和GNS的广泛滑动之间的协同效应,产生了有效的能量耗散。当GNS含量为70 wt%时,薄膜的EMI屏蔽效能为31.3 d B,反射系数R大于0.89,表现出以反射为主的屏蔽机制。同时,该薄膜具有超疏水性能(158.7°±1.1°)和阻燃性能。该多层纳米复合膜(厚度:39-57μm)具备密度低、柔韧性好、耐腐蚀性好等许多令人惊叹的特性,为纳米复合材料在电磁屏蔽领域应用提供了一种材料制备的途径。

关键词：氮化硼石墨烯仿生纳米复合材料热管理电磁屏蔽

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