通過摻雜微/納米級氮化硼增強聚酰亞胺薄膜的導熱性能論文介紹論文作者：Tung-LinLiandSteveLien-ChungHsu研究機構：臺灣國立成功大學，材料科學與工程系，微/納米科學與技術中心論文來源：J.Phys.Chem.B2010,114,6825–6829研究背景近年來，由于電子設備對更高密度、更快速的電路的要求，電子元件產生的熱量消耗被認為是亟待解決的關鍵問題之一。研究表明，當導熱性填充物分散在聚合物中時，能大大提高其導熱性能。因此，為了解決熱消耗問題，陶瓷填料例如Al2O3,SiO2,SiC,Si3N4,AlN,BN等被作為填料嵌入聚合物基體。其中，六角結構的BN因其高導熱系數（可達400W/m-k）和相對較低的介電常數，使它具有最大的發展潛能。同時，這種六角結構的BN還展現了良好的抗氧化性和抗腐蝕性。制作導熱性復合材料的傳統方法是使用不同填料類混合物或載有導熱性填料的高固體來形成導熱網絡。然而，這些聚合物大部分是環氧樹脂，在高溫下無法使用。聚酰亞胺由于其優異的熱穩定性、機械性能和低介電常數，被作為電子封裝材料和電絕緣材料廣泛的運用于微電子和航空航天等行業。通過嵌入表面改性的微/納米BN粒子制成的高導熱性PI/BN復合材料將會具有十分優異的導熱性能。當摻雜不同的含量BN粒子時，PI/BN復合材料表現出不同的導熱性能。嵌有合適比例的微/納米BN粒子的復合材料具有最大的導熱性能。主要內容1.合成聚酰胺酸，改性BN填料表面活性。2.制備PI/BN復合材料并表征。3.討論PI/BN復合材料的制備過程及其同質性。4.討論PI/BN復合材料的熱性質。5.討論PI/BN復合材料的導熱性。實驗部分1.材料實驗：苯四甲酸二酐（PMDA）、4,4′-二氨基苯胺（4,4′-ODA）、無水二甲基乙酰胺（DMAc）、3-巰基丙酸（MPA）、N-(3-二甲胺基丙基)-N-乙基碳二亞胺酸鹽（ EDC）、4-二甲氨基吡啶（DMAP），微尺寸的BN粉末（平均粒子大小是1μm），納米尺寸的BN粉末（平均粒子大小是70nm），其他化學藥品和溶劑。2、聚酰亞胺前體—聚酰胺酸（PMDA-ODA）的合成：在250mL的裝備有機械攪拌器的三頸圓底燒瓶中，以4,4′-ODA，DMAc和PMDA為原料，制得粘性的聚酰胺酸。反應見反應式1。3.BN填料的表面改性：因為有機相和無機相之間的極性差異，為了避免BN的凝聚，以3-巰基丙酸(MPA)作為表面活性劑使其表面活化。4.PI/BN復合材料的制備：通過將經過表面改性的微尺寸的BN和納米尺寸的BN與聚酰亞胺前體——聚酰胺酸均勻的混合制得導熱性的PI/BN復合材料。BN配方如表1所示：5.PI/BN復合材料的表征：用JascoFT/IR-460紅外光譜儀測得PI/BN復合材料的紅外光譜，用100號Cannon-Ubbelohde粘度計測得其固有粘度，用TA熱重分析儀測得表面活性劑和

PI/BN復合材料的重量損失，用HotDisk熱分析儀測得其導熱系數，用掃描電鏡觀察其表面形態，用TA熱動力分析儀確定它的面內膨脹系數（CETs)、玻璃化溫度和動態熱機械分析。結果與討論1.PI/BN復合材料的制備和同質性

PI/BN復合材料是通過在PI前體—聚酰胺酸中嵌入經過表面改性BN粒子，再經過加熱制得的。

3-巰基丙酸(MPA)作為表面活性劑，是因為它的羧酸集團能用來改性BN表面，防止BN凝聚并提高它和聚合物基體的兼容性。用紅外譜圖可以探究被改性的BN粒子，從圖1中可以看出，被改性的BN在1681cm-1處的吸收峰能很清晰的與未被改性的BN區分開，因為它具有3-巰基丙酸(MPA)的羰基。。2.PI/BN復合材料的熱性質

（1）

熱氧化分解性質：具有不同含量的BN粒子的PI/BN復合材料表現出近似的熱氧化分解性質，如圖3所示，純粹的PI也表現出了很高的熱氧化穩定性，隨著BN含量的增加，PI/7mBN復合材料的熱氧化分解溫度有少量的升高。（2）玻璃化溫度：具有不同BN含量的PI/7mBN復合材料的熱性質如表2所示，PI/BN復合材料的玻璃化溫度高于單純的聚酰亞胺，表明BN填料能提高聚合物的玻璃化溫度。

（3）熱膨脹系數：PI/BN復合材料的面內熱膨脹系數如圖4所示，純Pi的熱膨脹系數（CETs)是44(μm/m°C)。圖4表明隨著BN質量分數的增加，PI/BN復合材料的CETs減小。同時，相同BN含量但BN粒子微/納米級比例不同時的PI/BN復合材料CETs減少的也不同，PI/nBN的CETs較少的最多。表明CETs的大小取決于材料的結構，主要是BN粒子的充分分散和BN與聚合物基體之間的物理結合。（4）動力模量：圖5表明了溫度對純PI和具有不同BN含量的PI/7mBN復合材料的動力模量的影響。圖5(a)表明，隨著BN含量的增加，PI/7mBN復合材料的儲存模量增加。復合材料玻璃態和橡膠態之間的模量差異比純PI小，這是因為BN填料能有效限制聚合物鏈在高溫下的移動。圖5(b)表示PI/7mBN復合材料的損耗模量，是用來衡量隨熱消失的能量，它和儲存模量有相同的趨勢。

（5）阻尼特性：圖6表示PI/7mBN復合材料的阻尼特性(tanδ),它是動力損耗模量(粘性)和動力儲存模量(彈性)的比值，與分子運動和相轉移有關。當阻尼峰出現在玻璃化溫度區域內時，材料從僵硬狀態變為彈性狀態，tanδmax

就是玻璃化溫度Tg。純PI的鏈段不受約束，當嵌入BN填料后，其玻璃化溫度Tg有很明顯的變化，tanδ的峰值也降低，因為BN填料限制了PI分子的運動并增加了復合材料的剛度。3.PI/BN復合材料的導熱性

圖7表示用HotDisk裝置測得的具有不同微/納米BN粒子的PI/BN復合材料的導熱性，復合材料的導熱性隨著BN粒子大小的增加而增加，PI/7mBN復合材料具有最大的導熱性，在BN含量為30%質量分數時，導熱性可達1.2W/m-k。這可以解釋為當PI/BN復合材料中的微/納米BN填料達到合適的比例時，能形成任意的導熱橋或網。復合材料中同時含有微米級和納米級BN粒子時，導熱網更易形成，因為微米級的BN粒子形成主要的導熱路徑，納米級BN粒子則在微米級的BN粒子間起連接作用以增加其接觸來提高導熱性。結論1.本文發現混雜有微/納米BN填料的聚酰亞胺復合材料有更高的導熱性能。2.這種復合材料可通過在聚酰亞胺