超细氮化铝填充改性环氧树脂的研究改

超细氮化铝填充改性环氧树脂的研究兰州大学刘庆华1、摘要本文的实验采用机械搅拌直接分散和超声波分散相结合的分散方法，制得环氧树脂基复合材料，主要目的是通过添加高导热的超细氮化铝填料，提高复合材料的导热性能。研究的方法是采用不同的偶联剂含量处理超细氮化铝填料，研究偶联剂含量对填料与基体界面结合能力的影响。同时，不同的填料含量对复合材料各项主要性能的影响也有所研究。2、实验2.1、实验原料环氧树脂(850s)，环氧当量184-194g/eq；氮化铝(AlN)超细粉末，平均粒径在5微米以下；钛酸酯偶联剂(NDZ-401)；H316-5固化剂；BDMA促进剂。2.2、超细AlN粉末的表面改性将AlN超细粉末放入真空干燥箱内干燥约30min，然后称取一定重量的AlN超细粉末，钛酸酯偶联剂用异丙醇稀释后加入盛有AlN超细粉末的烧杯中。用玻璃棒搅拌10~15min和超声波处理30min后，再边加热边搅拌至溶剂基本蒸发，最后将AlN改性粉末放入真空干燥箱中烘干、研磨，装瓶待用。3、界面层理论和填料的表面改性3.1、界面层的形成和作用机理表面浸润理论，也就是物理吸附理论，该理论从物体的表面能来解释界面现象。认为两组分间如能实现完全浸润，则树脂在高能表面上的物理吸附所提供的粘结强度将大大超过树脂的内聚强度，两相间的结合模式属于机械粘接与润湿吸附。化学键理论是最古老的界面形成理论，也是应用比较广泛的一种理论，认为基体表面的官能团与填料表面的官能团起化学反应，在两者之间产生化学键的结合形成界面层，为偶联剂的研究和应用提供了重要的理论依据和指导作用。变形层理论认为，处理剂在界面形成了一层塑性层，能松弛界面的应力、减小界面应力的作用。3.2、改性前后的填料形貌3.3、EP/AlN复合体系的粘度表面处理提高了粉末和环氧基体的相容性而导致体系粘度下降，低含量填料的存在没有对环氧树脂的流动能力产生影响，填料粉末分散均匀，球形填料能使环氧树脂分子缠绕的机会降低，从而能降低粘度，但同时填料的存在也使环氧树脂分子流动速度减慢，但整体来说，低含量下粘度有所降低。随着含量的增加，填料的存在严重影响了环氧树脂分子的运动，导致粘度逐渐增加。3.4、EP/AlN复合材料的电阻率3.5、EP/AlN复合材料的冲击韧性•由图可知，总体而言随着填料的增加复合材料的冲击韧性先增大后减小，且在填料用量相同的情况下，当偶联剂的用量为3%时复合材料具有较好的冲击韧性，可以解释为：偶联剂在AlN粉末表面形成均匀完整的单分子层与环氧基体结合形成性能良好的界面，从而保证偶联剂的亲水基团与AlN粉末表面相联，亲油基团与环氧树脂相联，达到改善复合材料综合性能的目。4、EP/AlN复合材料的热学性能4.1、EP/AlN复合材料的热膨胀系数4.2、AlN填料的XRD分析4.3、XRD谱的精细分析当偶联剂含量为3%时，AlN填料的衍射峰均向左位移（相对于纯AlN的衍射角），即衍射峰所对应的晶面间距增大，这一现象表明，在EP/AlN复合材料中AlN填料受到拉应力的作用，晶格发生膨胀（畸变）。但是，当偶联剂含量为10%时，（100）和（002）衍射峰的位置又向右移动，峰的位置与未改性AlN填料基本（偶联剂含量为0%）相同。这说明在超细AlN对环氧树脂进行填充改性时，为了改善EP/AlN界面的相容性，偶联剂含量并非越高越好，当偶联剂含量过高时，由于不能形成单分子层，使得AlN填料与环氧基体的结合强度反而变弱。当AlN填料含量从3%增加到30%时，AlN晶体的d100、d002和d101晶面间距均发生变化。主要原因是偶联剂的改性使AlN填料和环氧树脂之间界面结合强度增大，当环氧树脂收缩时会对AlN填料产生拉应力。但是，当AlN填料含量增加时，单位体积内EP/AlN界面的面积也显著增加，结果使得AlN填料所受的平均应力会逐渐减小，各晶面间距也将逐渐趋同于自由状态时（纯AlN粉末）的数值。谢谢！