多层结构复合材料的制备及其在导热与电磁屏蔽领域的应用研究

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随着电子设备的小型化、集成化,电子设备的功率密度不断增加,产生了大量的热和有害的电磁辐射。热积累和电磁辐射不仅会降低电子设备的工作效率和可靠性,甚至还会危害到人体健康。因此,电子设备的封装材料同时具有高效散热与有效的电磁屏蔽是十分必要的。多层结构复合材料的结构与性能具有良好的可设计性,具有单一材料所不具有的综合性能,为实现导热和电磁屏蔽性能的有效结合提供了简单可行的方法。此外,填料取向是提高材料导热率与电磁屏蔽效能的有效方法。因此,本论文工作结合多层材料的优势,同时调控填料的取向度,制备了具有良好导热和有效电磁屏蔽性能的复合材料。主要结果如下:(1)通过熔融共混和两步热压法制备了多层聚乙烯/六方氮化硼(PE/h BN)复合膜,由高密度聚乙烯/h BN(HDPE/h BN)层和低密度聚乙烯(LDPE)层交替堆叠组成。形貌结构测试结果表明多层复合膜具有稳定连续的多层结构。在两步热压过程中,由于PE基体的良好的延展性,h BN随PE分子链在面内运动,从而使片状h BN在面内取向。X射线测试结果说明,h BN在多层复合膜内的取向度远高于在均匀分散复合膜内的取向度。导热测试结果显示,当h BN含量相同时,多层复合膜面内导热率高于均匀分散复合膜,当h BN含量为15 wt%时,多层PE/h BN复合膜的导热率达到3.54 W m-1 K-1。本工作通过简单热压工艺制备的多层PE/h BN复合膜具有优良导热性,在热管理领域具有巨大的应用潜力。(2)通过交替真空抽滤的方法制备了CNF/BNNS/MXene复合膜。该多层膜中间层是Ti3C2Tx MXene层,表层是纤维素纳米纤维/氮化硼纳米片(CNF/BNNS)层。形貌及力学性能表征结果显示,复合膜不同微层之间结合紧密,填料沿薄膜平面方向具有较高的取向度。性能测试结果显示多层膜具有良好的导热性能和电磁屏蔽性能,BNNS与MXene填料赋予了复合薄膜良好的导热性与电磁屏蔽性能。当CNF/BNNS层中BNNS含量为70 wt%时,多层膜的面内导热率达到19.97 W m-1 K-1;当MXene含量为70 mg时,复合膜在8.2 GHz时的电磁屏蔽性能达到60.7 d B。此外,由于复合膜表面为绝缘的CNF/BNNS层,因此所制备的复合膜保持了良好的表面电绝缘性能。这种具有高导热、电磁屏蔽同时绝缘性能良好的多层复合膜在高度集成的电子设备中具有很大的应用价值。
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