Pickering高内相乳液法制备高热导率低介电 性能的多孔氮化硼/聚酰亚胺复合薄膜外文翻译资料

 2022-08-04 20:31:47

英语原文共 7 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

题 目：Pickering高内相乳液法制备高热导率低介电

性能的多孔氮化硼/聚酰亚胺复合薄膜

摘要

本文介绍了一种通过结合pickering高内相乳液法和热压法来制备高热导率和低介电常数的氮化硼/聚酰亚胺复合膜的简单办法。复合薄膜中氮化硼纳米粒子在作为聚合物基体的PI骨架表面具有良好的分散性和三维连接性，BN/PI复合薄膜料中BN的含量在20-80 wt%范围内调整，复合膜的孔隙率根据热压温度等条件进行控制。当BN含量为20-80 wt%时，多孔BN/PI复合薄膜的热导率为0.059-1.033/s，介电常数为2.08-3.48。BN/PI复合膜具有极低的介电损耗值，在高频下接近于零（lt; 0.002），并且不受氮化硼含量和压制条件的影响。

关键词：高内相Pickering乳液 高分子复合材料 高热导率 低介电常数

绪论

随着现代电子器件变得功能化，小型化，集成化，并且表现出更高的性能，其中最重要的问题是如何高效地去除大功率集成电路产生的热量[1,2]。热管理对于电气设备的性能，寿命和可靠性已经变得越来越重要[3]。最常用的散热方法利用了聚合物基质与金属[4]，碳材料[5,6]或陶瓷颗粒[7,8]等高性填料混合的聚合物基复合材料。在各种填料中，六方氮化硼（h-BN）由于其电绝缘性和低介电常数约为6.0（=7.04和=4.95）[9]以及高热导率400 W/mK[10,11]而被选中。为了增加复合材料的性，人们已经进行了各种研究，以在超过渗流阈值的高含量中分散无机填料[12,13]。已有很多研究表明对无机填料进行表面改性，可以提高分散性，降低界面热阻。但无机填料表面功能化工艺复杂，产率低[14,15]。另外，简单混合高含量无机填料的传统方法不仅存在分散性问题，而且存在机械性能劣化的问题[16]。获得具有高系数的聚合物复合材料的最有效的方法是通过聚合物基体内的无机填料的三维（3D）网络结构创建直接传热路径。最近，Wongrsquo;s小组报道了一种高聚合物复合材料，通过冰模板组装和渗透方法制备的三维BN纳米片状网络[17,18]。这种方法有效且聪明地创建了填料的三维结构，但由于耗时的聚合物渗透过程而限制了实际应用。除了高热导率，低介电特性值（如介电常数和介电损耗tan）也是未来高频段电子器件封装材料的另一个重要因素，特别是对于使用2.8 GHz以上频率的5G通信[19]。对于陶瓷无机粒子，例如氮化硼（BN， =6.0），氧化铝（Al2O3， =9.3）和碳化硅（SiC， =9.2）粒子被包含在聚合物复合物中时，不仅性增强而且介电性能也被增强[20]。对于一种既具有高热导率又具有弱介电性能的材料，还没有广泛的研究报道。利用简单的工艺制备具有弱介电性能的聚合物复合材料在技术上仍具有挑战性。

本文报道了利用高内相Pickering乳化(HIPPE)和热压法制备具有高热导率和低介电常数的BN/聚酰亚胺（PI）多孔复合材料的方法。选择PI作为聚合物基体，其是众所周知的具有优异介电性能，低热膨胀，高强度和热稳定性的材料，因此被广泛用作封装材料，电路板和层间电介质[21,22]。研究了BN含量为20-80 wt%时制备的多孔BN/PI复合材料的热性能和介电性能。首先，通过在乳化过程中将BN单体加入到PI骨架的表面（即HIPPE），很容易制造出3D互连的BN网络。Pickering乳液是由固体微粒或纳米微粒稳定的无表面活性剂乳液，这些微粒优先迁移到两液相之间的界面[23]。因此，作为填料的BN纳米粒子彼此很好地连接，从而可以在聚合物复合材料中发生传热。尤其是该方法使得BN/PI复合材料中具有80 wt%高含量的BN填料均匀分散；由HIPPE工艺形成的含有低介电常数为1的空气的多孔结构。随后的热压方法控制了材料内部的孔结构程度（或孔尺寸）；热导率和介电常数随混合膜中孔隙含量的减少而增加。通过控制BN含量和孔结构度，可以在期望的范围内协调控制热导率和介电特性。当BN含量为20-80 wt%时，在1 GHz时多孔BN/PI复合膜具有较高的热导率（0.059-1.033 m/s）和较低的介电性能，介电常数为2.08-3.48。此外，多孔BN/PI复合膜具有极低的介电损耗值，无论BN含量和压制条件如何，在10 MHz以上的高频下均接近于零。因此，与传统溶液共混法制备的BN/PI多孔复合膜相比，HIPPE和热压法制备的BN/PI多孔复合膜具有更高的热导率和更低的介电常数。据我们所知，还没有研究报道将这种方法用于具有高率和低介电常数的BN/PI复合材料。这些结果显示了我们制备的多孔BN/PI复合薄膜作为高热导率和弱介电性能的微电子器件封装材料的潜力。

2. 实验方法

2.1 实验材料

均苯四甲酸二酐（PDMA）和十八烷基胺（ODA）购自中国常州阳光药业，在真空烘箱中于60℃干燥24小时后使用。N, N-二甲基乙酰胺（DMAc，纯度:99.8 %），二甲基乙醇胺（DMEA，纯度:99.5 %）和环己烷（纯度:99 %）购自Sigma-Aldrich（韩国），直接使用。BN购自Ecopharos（粒度:70纳米），直接使用。

2.1.1水溶性聚酰胺酸(PAA)的制备

聚合在三颈圆底烧瓶中进行。将0.2 mol ODA加入753.048 g DMAc中。在氮气气氛下搅拌混合物1小时后，加入0.2 mol的PMDA。将混合物在氮气气氛下在冰浴中搅拌4小时。最后，得到高黏度的10 wt%PAA溶液。将PAA DMAc溶液加入到去离子水中，过滤生成的沉淀物，并在真空烘箱中于40 ℃干燥过夜，获得PAA粉末。此过程重复三次以完全去除残留的DMAc。使用DMEA作为水溶解剂[24]，通过加入双倍量的PAA粉末制备水溶液。

2.1.2 BN/PI乳液及多孔BN/PI复合膜的制备

以去离子水为水相，环己烷为油相（2/8 V/V）制备HIPPE。首先，将直径为70 nm的BN纳米粒子在去离子水中超声分散1 h；随后，加入5 wt%PAA水溶液和环己烷。环己烷后加入，分成三次加入，用均化器（IKA，T25B）在21,000转/分下混合10分钟。成功地制备了油水（O/W）高内相乳液。为了制备BN/PI薄膜，将制备的乳液填充到硅树脂模具中，并在40 ℃下预冷冻处理2 h。将完全冷冻的乳液冷冻干燥24小时（Operon，FDUT-6002），然后在真空烘箱中在120 ℃, 180 ℃, 250 ℃, 300 ℃和350 ℃下热酰亚胺化30分钟。将BN/PI复合薄膜在室温或400 ℃，10 bar下压制2 min，制备了BN/PI多孔复合薄膜。制备过程如图2-1所示。

图2-1 基于HIPPE和热压法制备BN/PI多孔复合薄膜的整体工艺

2.2 表征

用扫描电子显微镜（SEM，JEOL，JSM-6700F）研究BN/PI复合材料的内部形貌。用激光闪光分析仪（NETSCH，LFA 447）测量复合膜的率。利用热重分析（TGA，Rigaku，Thermoplus EVO II TG8120）分析复合材料中BN的含量。通过阻抗分析仪（Agilent，E4991A）测量复合膜的介电性能。用热成像相机记录了在120 ℃热台上组装的复合薄膜的热红外（IR）图像（FLIR, T200）。

结果和讨论

3.1 用HIPPE制备PI/BN薄膜材料

高内相乳液（HIPEs）通常在低体积分数的连续相中具有高体积分数（gt;74 %）的分散液滴[25]。特别地，Pickering-based HIPPEs（HIPPEs）有望通过在HIPE的连续相中加入无机纳米粒子作为表面活性剂，与单体或聚合物前驱体一起制备高多孔杂化材料[23]。油-粒子-水界面处的表面能决定其稳定O/W或W/O乳状液的能力。研究表明，HIPPE具有高体积分数而没有相转化，可以使用大量的非离子表面活性剂[26]，有限的乳化剂[27]和可部分润湿于水和油的表面改性颗粒[28]，以增加HIPPE的稳定性。水溶性聚合物如聚乙二醇（PEG）或具有交联聚合物的有机可溶性苯乙烯单体主要用作O/W或W/O乳液的连续相[23,29]。在本研究中，我们使用聚酰亚胺作为聚合物基体，通过对PAA前体进行酰亚胺化得到了HIPPE。通常，PAA可以溶于偶极非质子溶剂，如二甲基甲酰胺（DMF），N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）和DMAC。由于表面能失配，使用这种非质子溶剂制备O/W或W/O乳液非常困难[23,25,27]。因此，我们使用水溶性PAA溶液制备了稳定的HIPPE。当与醇胺如DMEA和三乙胺（TEA）混合时，PAA的COOH基团和DMEA（或TEA）的胺变成盐形式，并且可以制备稳定的PAA水溶液[24,30]。此外，盐沫中的PAA对稳定HIPPE很有帮助。因此，即使没有无机纳米颗粒（即，BN含量:0 %），也可以生产稳定的PAA HIPPE，如支持信息，图2-1所示。

图2-1显示了基于HIPPE制造PI薄膜的整个过程的示意图，以及每个步骤的实际图像。首先，我们制备了作为O/W HIPPE过程中连续相的PAA（PI前体）水溶液[31]。PAA以盐的形式溶解在水相中，不发生相转化，带电荷，保证了油水界面的稳定性；然后它就成了薄膜的聚合物骨架。油水相混合物经均质器乳化后，水相中平均直径为70 nm的BN纳米粒子均匀分散在油水界面，如图2-1（b）所示，BN含量在20 wt%-80 wt%范围内变化。通过使用能够通过高速旋转提供高能量的均质器进行乳化，可以获得比涡流等低能量乳化更均匀且更小的乳液滴[31]。所得到的BN/PAA HIPPE可以在预先制备的模具（或模板）中干燥，以产生所需形状和尺寸的BN/PAA薄膜。在本研究中，通常使用硅树脂模具（宽: 30毫米，长: 30毫米，深: 10毫米）。采用冷冻干燥法干燥油和水，同时保持所制备的乳液的高内相结构而不塌陷，如图2-1（c）所示，环己烷作为油相，对应于乳状液的体积的80 %。环己烷的凝固点为6.5 ℃，与水的凝固点为0 ℃相近，这有利于BN/PAA复合材料在冻铸和冻干过程中保持结构稳定而不发生相分离（或相反转）。一旦水和环己烷通过冷冻干燥被完全除去，PAA骨架产生高度多孔结构，并且BN纳米颗粒可以保留并附着到PAA骨架的表面上（图1（c））。通过冷冻干燥完全干燥的BN/PAA薄膜可以在350℃下通过热酰亚胺化成功地转化为BN/PI薄膜，如图2-1（d）所示，在整个制备过程中，BN纳米粒子保持了三维多孔结构和均匀分布。BN/PI薄膜是黄色的，这是由于在完全亚胺化过程之后，酰亚胺基团的电荷转移复合物[22]。

因此，BN的三维网络结构可以很容易地跟随PAA骨架形成。PAA骨架上的BN纳米粒子相互直接接触。基于HIPPE的方法的一个优点是简单地生产含有大量填料的复合材料。为了提供填料的导电路径，重要的是在复合物中负载足够的BN含量超过被称为逾渗阈值的临界值[32]。在本研究中，BN/PI复合材料中的BN含量易于调节；在没有任何表面改性或其它复杂制备工艺的情况下，成功地制备了BN/PI复合薄膜（BN负载量: 20 wt%，40 wt%，60 wt%和80 wt%）。通过TGA结果研究BN/PI复合材料中BN的实际负载含量，因为已知BN具有超过1000 ℃的优异热稳定性。在BN（20 wt%，40 wt%，60 wt%和80 wt%）/PI复合薄膜中分别观察到25.7 wt%，47.5 wt%，63.7 wt%和80.7 wt%。各复合材料的合成重量与BN在各复合材料中的初始负载量一致。这种一致性归因于BN和PI之间强大的物理相互作用，这使得能够加载足够的量来提供3D连接的BN网络。

用扫描电镜直接观察了BN/PI多孔复合薄膜的内部结构。图2-2示出了使用HIPPE方法获得的含有20 wt%，40 wt%，60 wt%和80 wt%BN的BN/PI复合薄膜体的截面SEM图像。如图2-2（a）示，BN（20）/PI复合薄膜表现出相对光滑的表面和气孔。BN（80）/PI复合物表现出明显更粗糙的表面，表明BN纳米颗粒包裹了整个PI表面，同时保留了其原始多孔结构（图2（d））。复合材料的表面形貌与BN的负载量有关。结果清楚地表明，大量的BN纳米粒子均匀地分散在PI骨架表面。HIPPE中的孔结构被分类为由内部液滴干燥形成的空隙和源于含有聚合物前体的连续相干燥的壁上的窗口[27]。由于聚合物含量低，在干燥过程中形成许多窗口，导致骨架结构。在本研究中，由于仅在水相中使用5 wt% PAA与连续相相对应，形成了具有多个窗口的孔隙

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[263151]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章