【摘要】：目前,隨著電子電力行業(yè)以及能源等領域的快速發(fā)展,電子集成電路、電子器件與電子設備等的功率密度越來越大,帶來的散熱問題日益突出。電子器件與設備工作時產(chǎn)生的熱量會導致其工作溫度升高,并對其性能及壽命造成嚴重影響�，F(xiàn)有的柔性導熱絕緣復合材料仍存在高導熱與良好絕緣性、柔順性不能兼顧等問題,難以滿足電子電力行業(yè)發(fā)展的需求。基于此,具有高導熱性能且絕緣性良好的柔性導熱絕緣復合材料,在電子電力行業(yè)以及能源領域具有巨大的應用前景。本論文針對上述問題,擬嘗試通過設計3D填料網(wǎng)絡結構、取向結構以及層狀結構等來制備導熱絕緣硅橡膠復合材料,旨在提高復合材料的導熱性能,同時保證材料的絕緣性能,兼顧材料的柔順性等性能,并對導熱絕緣硅橡膠復合材料在復合絕緣子領域的應用進行探索。本論文的主要研究內(nèi)容及結果如下:(1)以一維碳納米管(1D Carbon nanotubes,CNTs)與二維氮化硼(2D Boron nitride,BN)通過機械共混法在硅橡膠(Silicone rubber,SR)基體中制備了3D混合填料網(wǎng)絡的SR/BN/CNT導熱復合材料。考察了極少量(0.0005 vol.%～0.25 vol.%)的1D CNTs與2D BN(12.6 vol.%)構成3D填料網(wǎng)絡對復合材料導熱絕緣及力學性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),加入0.25 vol.%CNTs制備的樣品SR/BN/CNT0.25(BC 0.25),其導熱系數(shù)比SR/BN復合材料(B30)和純SR分別提高25%和75%。SR/BN/CNT復合材料的體積電阻率比B30略有提高,并且具有與B30相當?shù)膿舸⿵姸?23 kV mm-1)。另外,加入少量CNTs可以提高SR/BN/CNT復合材料的拉伸強度,同時復合材料的彈性模量增量遠低于導熱系數(shù)的增量,柔順性較好。采用硅烷偶聯(lián)劑A-171改性SR/BN/CNT復合材料,可將導熱系數(shù)提高約10%,同時提高擊穿強度,并降低介電損耗。(2)以SR和BN為原料,采用機械剪切法和兩步固化法制備了在垂直方向取向的SR/aligned-BN(SR/ABN)復合材料�？疾炝瞬煌珺N含量的SR/ABN復合材料在垂直方向的導熱絕緣性能。實驗結果表明,SR/ABN 150(ABN 150)在垂直方向上的導熱系數(shù)可達到5.4 W m-1 K-1,與SR/BN 150(BN 150)相比,其導熱系數(shù)增量11和12分別為33和6.3。采用有效介質近似(EMA)模型分析表明,SR/ABN復合材料的界面熱阻RBd3為2.5×10-8m2 K W-1,比RBd1及SR/BN復合材料在相同填料含量時的RBd3都約低一個數(shù)量級。紅外熱成像分析表明,ABN 150的表面升溫和降溫的速率最快,到達穩(wěn)定溫度的時間最短,具有優(yōu)異的傳熱響應和熱傳導性能。SR/ABN復合材料比SR/BN復合材料在垂直方向上具有更低的線性熱膨脹系數(shù),不易受熱產(chǎn)生形變。同時,SR/ABN復合材料的體積電阻率大于1016 Ω·cm,電絕緣性能優(yōu)異。(3)以BN和膨脹石墨(Expanded graphite,EG)為原料,采用機械剪切法制備了層狀SR/aligned BN-SR/aligned EG(SR/ABN-SR/AEG)復合材料。考察了取向以及導熱層SR/AEG與絕緣層SR/ABN交替間隔疊加的多層復合結構對復合材料導熱和絕緣性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),在SR/ABN-SR/AEG復合材料中,BN與EG在SR基體中均呈現(xiàn)整齊有序的沿水平方向高取向的結構,且SR/ABN-SR/AEG復合材料在水平方向的導熱系數(shù)隨層數(shù)的增加而增加,最高可達到23 W m-1 K-1,相比單層取向的SR/ABN/AEG(SBE)復合材料和SR,SR/ABN-SR/AEG復合材料在水平方向上的導熱系數(shù)分別了提高～180%和2個數(shù)量級,同時在垂直方向上的體積電阻率能夠達到1014α·cm,比SBE復合材料高約5個數(shù)量級,具有良好的絕緣性能。(4)采用不同形貌的氫氧化鋁(Aluminium hydroxide,ATH)、無規(guī)則氧化硅(Irregular silica,IS)和球形氧化硅(Sphere silica,SS),通過機械共混法制備了SR/ATH、SR/IS、SR/SS復合材料。研究了填料的形貌對復合材料力學性能、熱性能、電性能的影響,并對其熱性能與耐電弧老化性能之間的關系進行分析。結果表明,采用氧化硅制備的SR/IS和SR/SS復合材料的拉伸強度可達到6.5 MPa及6.6 MPa,是SR/ATH的近2倍,擊穿強度E0分別為24.9及24.8 kV mm-1,高于SR/ATH的18.9 kV mm-1。球形形貌使SS顆粒具有良好的相容性和加工性,制備的SR/SS復合材料具有最高的斷裂伸長率、最小的彈性模量、最低的內(nèi)耗值、極低的介電損耗及最好的熱穩(wěn)定性,并且在高溫區(qū)域具有最好的導熱性能。在高溫區(qū)散熱性能及熱穩(wěn)定性良好的SR/SS復合材料經(jīng)電弧老化后也具有最好的表面耐電弧蝕損性能。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院過程工程研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB33;TM21
【圖文】：

圖１．７測量曲線中半升溫時間的確定逡逑Ｆｉｇ．邋１．７邋Ｔｊ／２邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ邋ｃｕｒｖｅｓ逡逑如圖１．６和１．７中所示［４４ｈ當試樣正面受到瞬時激光脈沖均勻加熱時，在絕逡逑熱條件下產(chǎn)生向試樣背面的一維熱流，由此引起背面升溫，采用紅外探測器測量逡逑試樣背面溫度隨時間上升的關系，就可以計算出試樣的熱擴散系數(shù)，其計算公式逡逑為：逡逑０．１３８７９Ｊ２逡逑ＣＣ邋＝邐邋…（１．１）逡逑ｔ＼ｌ２逡逑其中，ｃｘｔ為試樣在溫度ｔ下的熱擴散系數(shù)，單位為ｍ２邋ｓ＇邋ｄ為試樣的厚度，逡逑１０逡逑

是瑞典科學家Ｓｉｌａｓ邋Ｇｕｓｔａｆｓｓｏｎ在熱線法與熱帶法基礎上開發(fā)出來的一項導熱系逡逑數(shù)測試技術，通過瞬時脈沖加熱來測定材料的導熱系數(shù)和熱擴散系數(shù)。其加熱組逡逑件為一個絕緣的薄圓盤，如圖１．８，通常為螺旋狀的平面同心圓環(huán)，同時也作為逡逑溫度傳感器，既提供熱源，同時也反饋溫度變化信息，將加熱組件放置在相同的逡逑兩個試樣之間，通過施加電流脈沖加熱的同時檢測時間與熱阻的關系，從而計算逡逑得出材料的導熱系數(shù)及熱擴散系數(shù)［４７］。逡逑瞬態(tài)平面熱源法測試范圍寬，周期短，精度較高，可以測定多種材料的導熱逡逑系數(shù)。逡逑ＺＥ７］S緬義希卞濉宀罰卞澹睿鑠義賢跡保稿澹裕校硬饈苑椒按釁魘疽饌煎義希疲椋紓澹保稿澹櫻悖瑁澹恚幔簦椋沐澹錚駑澹簦潁幔睿螅椋澹睿翦澹穡歟幔簦邋澹螅錚酰潁悖邋澹恚澹簦瑁錚溴義希保卞義

本文編號：2735826