利用蔗糖改性氮化硼提高环氧树脂复合材料的导热性能_杨薛明.pdf

1、，.，.基 金 项 目：国 家 自 然 科 学 基 金（）（）：.利 用 蔗 糖 改 性 氮 化 硼 提 高 环 氧 树 脂 复 合 材 料 的 导 热 性 能杨 薛 明，胡 宗 杰，王 炜 晨，刘 强，王 帅，华 北 电 力 大 学 动 力 工 程 系，河 北 保 定 河 北 省 低 碳 高 效 发 电 技 术 重 点 实 验 室，河 北 保 定 环 氧 树 脂 具 有 质 量 较 轻、防 腐 性 能 和 绝 缘 性 能 优 良 等 一 系 列 优 势，因 而 被 广 泛 应 用 于 电 气 装 备、高 电 压 绝 缘 系 统 和 航 空 航 天 等 诸 多 领 域。但 环氧 树 脂 的 本

2、 征 热 导 率 较 低，约 为（），如 此 低 的 热 导 率 不 利 于 系 统 及 时 有 效 地 散 热。氮 化 硼 纳 米 片（）由 于 其 优 良 的 导 热性 能 和 绝 缘 性 能，在 高 电 压 绝 缘 系 统 中 具 有 广 阔 的 应 用 前 景。然 而，制 备 流 程 复 杂 以 及 在 液 体 中 分 散 性 差 是 目 前 限 制 其 广 泛 应 用 的 主 要 原因。采 用 一 种 简 单 而 有 效 的 蔗 糖 辅 助 机 械 化 学 剥 离（）方 法 来 同 时 实 现 的 剥 离 和 改 性，将 蔗 糖 剥 离 改 性 得 到 的 六 方 氮 化 硼（）加入

3、 环 氧 树 脂 中，添 加 改 性 的 质 量 分 数 为 时，复 合 材 料 的 热 导 率 可 以 达 到（），此 时 复 合 材 料 的 热 导 率 是 纯 环 氧 树 脂 材 料 的 倍，导 热 性 能 明 显 提 升。为 解 释 改 性 提 升 环 氧 树 脂 复 合 材 料 导 热 性 能 的 机 理，根 据 有 效 介 质 近 似（）理 论 模 型 反 推 计 算 得 到 改 性 前 后 环 氧 树 脂 复 合 材 料 中 填 料 颗 粒 与 基 质 之 间 的 界 面 热 阻 值，计 算 得 到 环 氧 树 脂 复 合 材 料 的 界 面 热 阻 为，改 性 环 氧 树 脂

4、复 合 材 料 的 界 面 热 阻 为，改 性 后 的 环 氧 树 脂 复 合 材 料 的 界 面 热 阻 值 约 为 改 性 前 的。关 键 词 氮 化 硼 环 氧 树 脂 界 面 热 阻 蔗 糖 改 性 热 物 性中 图 分 类 号：文 献 标 识 码：，（）（），（），（），（），引 言环 氧 树 脂 具 有 质 量 较 轻、防 腐 性 能 和 绝 缘 性 能 优 良 等 一系 列 优 势，因 而 被 广 泛 应 用 于 电 气 装 备、可 再 生 能 源 系 统 和航 空 航 天 等 诸 多 领 域。但 环 氧 树 脂 的 本 征 热 导 率 较 低，约 为（），如 此 低 的 热 导

5、 率 不 利 于 系 统 及时 且 有 效 地 散 热。而 当 环 氧 树 脂 材 料 用 作 高 电 压 绝 缘 材料 时，系 统 不 仅 需 要 满 足 正 常 工 作 时 电 气 和 力 学 性 能 方 面 的要 求，还 要 面 临 高 压、高 热 等 复 杂 运 行 环 境 的 考 验。在 实际 的 工 程 应 用 中，较 差 的 散 热 能 力 使 得 环 氧 树 脂 无 法 满 足 工业 需 求，因 此 迫 切 需 要 开 发 具 有 较 高 热 导 率 的 环 氧 树 脂 基 导热 绝 缘 材 料 以 实 现 高 效 散 热，确 保 系 统 的 安 全 稳 定 运 行，延长 系

6、统 运 行 寿 命，降 低 系 统 的 失 效 概 率 和 安 全 风 险。目 前 研 究 中，为 了 提 升 环 氧 树 脂 的 导 热 性 能，常 把 导 热率 高 的 纳 米 材 料 作 为 填 料 掺 杂 到 环 氧 树 脂 中。常 用 的 填充 材 料 可 分 为 碳 单 质 类（如 碳 纳 米 管、碳 纤 维 和 石 墨 烯等），碳、氮、氧 化 合 物（如 氮 化 硼、氮 化 铝 等），金 属类（如 铝、银 等）和 无 机 盐（如 钛 酸 盐）等，碳 单 质 类 和金 属 类 等 材 料 因 为 具 有 良 好 的 导 电 性 能，所 以 不 适 合 作 为 添加 剂 掺 杂 到

7、环 氧 树 脂 中；六 方 氮 化 硼（）因 具 有 较 高 的 热导 率、良 好 的 绝 缘 和 力 学 性 能，具 有 类 似 于 石 墨 烯 的 层 状 结构，目 前 被 广 泛 应 用 于 环 氧 树 脂 复 合 材 料 研 究 中。等 分 别 用 硅 烷 偶 联 剂 和 对 氮 化硼 纳 米 片 进 行 处 理，将 改 性 后 的 氮 化 硼 纳 米 片 添 加 到 环 氧 树脂 中，得 到 改 性 氮 化 硼 环 氧 树 脂 复 合 材 料。表 征 测 试 结 果显 示，改 性 的 氮 化 硼 环 氧 树 脂 复 合 材 料 热 分 解 温 度 高 于 改 性 的 氮 化 硼 环

8、氧 树 脂 复 合 材 料，在 相 同 的 填料 体 积 分 数 下，改 性 的 氮 化 硼 环 氧 树 脂 复 合 材 料 热导 率 高 于 改 性 的 氮 化 硼 环 氧 树 脂 复 合 材 料，当 填 充填 料 颗 粒 的 体 积 分 数 达 到 时，改 性 的 氮 化 硼 环氧 树 脂 复 合 材 料 热 导 率 较 纯 环 氧 树 脂 提 升 了。马 振 宁 等 将 三 种 不 同 粒 径（、）的 氮化 硼 颗 粒 加 入 环 氧 树 脂 中，当 氮 化 硼 含 量 为（质 量 分数）时，三 种 粒 径 制 备 的氮化硼环氧树脂复合材料 热 导 率 分 别为（）、（）、（），相比 纯

9、 环 氧 树 脂 分 别 提 高 了、。等 对 块 状 六 方 氮 化 硼 填 料 颗 粒 进 行 液 相 剥 离，得到 了 具 有 较 高 热 导 率 及 纵 横 比 的 氮 化 硼 纳 米 片，将 氮 化 硼 纳米 片 填 充 到 环 氧 树 脂 基 质 中，制 得 氮 化 硼 纳 米 片 环 氧 树 脂复 合 材 料。相 比 于 纯 环 氧 树 脂，其 热 导 率 提 高 了。汪 蔚 等 通 过 使 用 十 八 烷 基 三 甲 基 溴 化 铵 来 改 性 氮 化硼，制 备 了 氮 化 硼 环 氧 树 脂 复 合 材 料。结 果 表 明：当 氮 化 硼质 量 分 数 为 时，改 性 氮 化

10、 硼 环 氧 树 脂 复 合 材 料 导 热 系数 为（），是 未 改 性 氮 化 硼 环 氧 树 脂 的 复 合 材料 导 热 系 数（）的 倍。高 利 达 等 将 两 种 不 同 粒 径 的 及 立 方 氮 化 硼（）作 为 填 料，分 别 加 入 到 环 氧 树 脂（）中 制 备 不 同 粒径 的 混 掺 复 合 材 料，得 到 双 粒 径 复 合 材 料、六 方 氮化 硼 立 方 氮 化 硼 环 氧 树 脂（）双 粒 径 复 合 材料 和 双 粒 径 热 压 复 合 材 料 的 热 导 率 分 别 为（）、（）和（）。其 中 热 压 复 合 材 料 的 面 内 热 导 率 为（），远

11、大于 其 法 向 热 导 率。等 制 备 了 以 纤 维 素 纳 米 纤 维 作 为 支 撑 的 氮 化 硼气 凝 胶，然 后 通 过 真 空 辅 助 浸 渍 的 方 法 制 备 环 氧 树 脂 氮 化硼 气 凝 胶 复 合 材 料。测 试 结 果 显 示，当 填 充 氮 化 硼 的 体 积 分数 为 时，环 氧 树 脂 氮 化 硼 气 凝 胶 复 合 材 料 的 热 导 率 可以 达 到（），是 随 机 排 布 氮 化 硼 环 氧 树 脂 复 合材 料 热 导 率 的 倍。以 上 采 用 的 材 料 和 方 法 比 较 复 杂，而 且 相 关 药 品 具 有 一定 的 独 特 性，成 本 较

12、 高，难 以 大 规 模 生 产，而 蔗 糖 价 格 低 廉，无 毒 性，是 一 种 安 全 可 靠 的 材 料。本 研 究 采 用 蔗 糖 辅 助 球 磨改 性 对 块 状 六 方 氮 化 硼 填 料 颗 粒 进 行 官 能 团 改 性 处 理，得 到羟 基 官 能 化 六 方 氮 化 硼 纳 米 片，对 改 性 处 理 前 后 的 六 方 氮 化硼 进 行 扫 描 电 镜、傅 里 叶 变 换 红 外 光 谱 以 及 射 线 衍 射 测试，表 征 对 六 方 氮 化 硼 进 行 改 性 的 效 果。本 研 究 还 制 备 了 纯环 氧 树 脂 材 料、氮 化 硼 环 氧 树 脂 复 合 材

13、料 以 及 改 性 环氧 树 脂 复 合 材 料，并 对 所 制 备 样 品 的 热 导 率 进 行 测 试，得 到改 性 前 后 环 氧 树 脂 复 合 材 料 及 纯 环 氧 树 脂 的 热 导 率 测试 效 果。基 于 实 验 数 据，利 用 有 效 介 质 近 似 公 式 反 推 计 算 得到 改 性 前 后 环 氧 树 脂 复 合 材 料 的 界 面 热 阻 值，得 出 官能 团 改 性 对 复 合 材 料 界 面 热 阻 的 影 响 规 律。实 验 实 验 材 料实 验 原 料 为：双 酚 型 环 氧 树 脂（）、甲 基 四 氢 苯酐（）、，三（二 甲 胺 基 甲 基）苯 酚（），

14、上海 树 脂 厂；（），上 海 阿 拉 丁 生 化 科 技 股 份 有 限 公司；蔗 糖（），上 海 阿 拉 丁 生 化 科 技 股 份 有 限 公 司；去 离 子水，自 制。的 表 面 改 性采用蔗糖辅 助 球 磨 改 性 氮 化 硼 的 方 法 对 粉 末进 行官 能 团 改 性 处 理，得 到 羟 基 官 能 化。改 性 过 程 如图 所 示，首 先 称 取 适 量 的 粉 末，放 入 真 空 干 燥 箱 中，加 热 真 空 干 燥，备 用。称 取 一 定 质 量 的 干 燥 后 的 粉 末 及 蔗 糖，其 质 量 比 为，蔗 糖 的 比 例 远 大 于，这 样 是 为 了 确 保 在

15、球 磨 改 性 过 程 中 能 够 充 分 反应。将 粉 末 与 蔗 糖 混 合 均 匀 后 加 入 到 氧 化 锆 球 磨 罐中，在 行 星 式 球 磨 机 中 以 转 速 球 磨。球 磨 结 束后 用 物 料 筛 将 研 磨 球 和 粉 末 物 料 分 开，采 用 减 压 过 滤 方 式，利 用 蔗 糖 与 在 水 中 的 溶 解 度 差 异 来 除 去 未 反 应 的 蔗糖。收 集 粉 末 物 料 并 将 粉 末 物 料 溶 于 的 去 离 子 水 中，得 到 改 性 和 蔗 糖 的 混 合 溶 液。对 混 合 溶 液 进 行 抽 滤、用去 离 子 水 洗 涤，反 复 进 行 五 次 后

16、 即 可 得 到 滤 饼。对 滤 饼 进 行回 收，放 入 真 空 干 燥 箱 中，加 热 真 空 干 燥，研 磨 后 即可 得 到 改 性 粉 末。图 蔗 糖 辅 助 球 磨 改 性 氮 化 硼 的 流 程 环 氧 树 脂 复 合 材 料 的 制 备 环 氧 树 脂 复 合 材 料 的 制 备：称 取 一 定 质 量 的 粉 末，放 入 真 空 干 燥 箱 中 加 热 干 燥 备 用。环氧 树 脂 复 合 材 料 的 制 备 流 程 如 图 所 示，称 取 一 定 质 量 的 双酚 型 环 氧 树 脂，加 入 一 定 质 量 的 固 化 剂 甲 基 四 氢 苯 酐，水 浴 加 热，以 的 转

17、 速 磁 力 搅 拌 后 停 止 搅拌，加 入 一 定 质 量 的 粉 末，使 粉 末 占 复 合 材 料 的质 量 分 数 分 别 为、，继 续 搅 拌，然 后 加 入 促进 剂，水 浴 加 热，以 磁 力 搅 拌。将 混 合 溶 液 用 超 声 波 细 胞 粉 碎 机 以 功 率 超 声 分 散。将 超 声 分 散 后 的 混 合 溶 液 放 入 真 空 干 燥 箱 中，加 热 真 空 脱 气，将 混 合 溶 液 浇 注 到 聚 四 氟 乙 烯 模 具 中，放入 干 燥 箱 进 行 加 热 固 化，固 化 方 案 为 加 热，加 热，加 热，自 然 冷 却 至 室 温，最 终 制 得 环

18、氧 树 脂 复 合 材 料。改 性 环 氧 树 脂 复 合 材 料 制 备：采 用 与 环 氧树 脂 复 合 材 料 相 同 的 方 法 和 步 骤。图 为 氮 化 硼 及 其 复 合 材 料 样 品 图，其 中 图 从 左 往 右利 用 蔗 糖 改 性 氮 化 硼 提 高 环 氧 树 脂 复 合 材 料 的 导 热 性 能 杨 薛 明 等 图 氮 化 硼 环 氧 树 脂 的 制 备 流 程 依 次 为 粉 末 和 改 性 粉 末，图 从 左 往 右 依 次 为纯 环 氧 树 脂、环 氧 树 脂 复 合 材 料 和 改 性 环 氧 树脂 复 合 材 料。图 氮 化 硼 及 其 复 合 材 料

19、样 品 材 料 测 试扫 描 电 子 显 微 镜 测 试：用 公 司 的 场 发 射 扫 描 电 子 显 微 镜 观 察 球 磨 改 性 前 后 粉 末 样 品 的微 观 形 貌。射 线 衍 射 仪 测 试：用 公 司 的 射 线 衍 射 仪 来 表 征 球 磨 改 性 前 后 粉 末 样 品的 晶 体 结 构，测 试 采 用 靶，测 试 范 围 为。傅 里 叶变 换 红 外 光 谱 测 试 用 公 司 的 傅 里 叶 变 换红 外 光 谱 仪，扫 描 范 围 为，分 辨 率 为，扫描 次 数 为 次，背 景 为 空 气。热 失 重 测试用 公司 的 同 步 热 分析仪，温 度范围 为，升 温

20、速 率 为，气 氛 为 干 燥 氮 气，气 流 速 度 为。热导 率 测 试：采 用 导 热 系 数 测 定 仪 测 量 所 制 备 材 料的 热 导 率。结 果 与 分 析本 工 作 利 用 蔗 糖 改 性，并 将 其 作 为 填 料 填 充 到 环 氧树 脂 材 料 中，制 备 了 不 同 填 充 量 的 环 氧 树 脂 复 合 材 料，通 过测 试 蔗 糖 改 性 前 后 的 来 研 究 蔗 糖 改 性 氮 化 硼 对 环 氧 树脂 复 合 材 料 热 导 率 的 影 响。改 性 前 后 微 观 形 貌 的 变 化 规 律图 为 的 扫 描 电 镜 图 像，由 图 可 知，呈 现 不规

21、则 的 块 状，横 向 尺 寸 约 为，团 聚 现 象 较 为 明 显，这 是 晶 体 颗 粒 的 粒 径 较 小 且 具 有 较 高 的 比 表 面 自 由 能 以 及较 大 的 比 表 面 积 导 致 的。团 聚 现 象 严 重 时 会 导 致 在 环氧 树 脂 基 质 中 的 分 散 性 变 差，不 利 于 形 成 有 效 的 导 热 通 路，因 此 这 在 很 大 程 度 上 制 约 着 环 氧 树 脂 复 合 材 料 导 热 性能 的 提 升。图 粉 末 的 图：（）（）；（）（）；（）（）；（）（）：（）（）；（）（）；（）（）；（）（）图 为 蔗 糖 辅 助 球 磨 改 性 的

22、扫 描 电 镜 图，从 图 中可 以 看 出，改 性 后 的 呈 现 较 明 显 的 片 状 结 构，其 厚 度 约为，横 向 尺 寸 约 为，这 说 明 通 过 蔗 糖 辅 助 球 磨 改性 的 方 法，粒 径 较 大 的 颗 粒 已 被 剥 离 成 厚 度 较 薄 的。从 图 中 可 以 观 察 到 团 聚 的 大 颗 粒，但 与 相比，团 聚 的 大 颗 粒 较 少，说 明 通 过 蔗 糖 辅 助 球 磨 改 性 的 方 法剥 离 得 到 的 团 聚 现 象 得 到 相 对 改 善。图 改 性 的 图：（）（）；（）（）；（）（）；（）（）：（）（）；（）（）；（）（）；（）（）改 性

23、前 后 晶 体 结 构 的 变 化 规 律图 为 的 红 外 光 谱 图，从 图 中 可 以 看 出，未 处 理 的 粉 末 样 品 分 别 在 波 长 和 处 出 现 明显 的 特 征 吸 收 峰，其 中 波 长 为 处 的 振 动 峰 归 属 于 的 键 的 面 内 伸 缩 振 动 峰，波 长 为 处 的 振 动峰 归 属 于 的 键 的 面 外 弯 曲 振 动 峰。同 时，从 红外 光 谱 图 中 可 以 发 现，波 长 为 处 出 现 了 一 个 小 的吸 收 峰，经 分 析，该 吸 收 峰 为 羟 基 的 振 动 峰，羟 基 的 出 现 有 可能 是 因 为 在 制 备 或 运 输

24、过 程 中 粉 末 样 品 吸 收 了 空 气 中的 水，从 而 形 成 了 羟 基。材 料 导 报，（）：图 的 图 图 为 在 蔗 糖 辅 助 球 磨 改 性 后 的 的 红 外 光 谱 图，从 图 中 可 以 看 出，与 未 经 处 理 的 粉 末 样 品 相 比，改 性 后的 粉 末 样 品 保 留 了 固 有 的 两 个 明 显 的 特 征 吸 收峰，这 说 明 蔗 糖 辅 助 球 磨 改 性 的 过 程 只 是 对 进 行 剥 离，并 没 有 破 坏 原 有 的 晶 体 结 构。值 得 注 意 的 是，改 性 后 的 两 个 特 征吸 收 峰 发 生 了 轻 微 的 移 动，其 中

25、，的 键 的 面 内 伸 缩 振 动 峰 从 偏 移 到 了 处，而 的 键 的 面 外 弯 曲 振 动 峰 从 偏 移 到 了 处，这 种 微 小 的 偏 移 是 由 于 在 蔗 糖 和 球 磨 的 共 同 作用 下，蔗 糖 分 子 被 接 枝 到 表 面，蔗 糖 分 子 与 的 相互 作 用 会 影 响 晶 格 的 固 有 振 动 特 性，反 映 为 红 外 光 谱图 上 的 特 征 吸 收 峰 发 生 微 小 的 偏 移。图 蔗 糖 改 性 的 图 与 未 经处理的 粉 末 样 品 相 比，改 性 的 红 外 光谱 图 在波长为 处 出 现 了 较 明 显 的 羟 基 的 特 征 吸 收

26、峰，而 未 处 理 的 粉 末 样 品 的 红 外 光 谱 图 上 只 在 处 出 现 了 一 个 小 的 羟 基 吸 收 峰，因 为 未 反 应 的 蔗 糖 已 经 过 热水 溶 解 并 洗 涤 抽 滤 除 去，所 以 制 得 的 改 性 粉 末 样 品 中 没有 残 留 蔗 糖 颗 粒，在 波 长 为 处 出 现 明 显 的 羟 基 的特 征 吸 收 峰 表 明 蔗 糖 分 子 已 经 被 成 功 地 接 枝 在 表 面。改 性 前 后 晶 体 结 构 的 变 化 规 律图 为 蔗 糖 辅 助 球 磨 改 性 前 后 粉 末 样 品 的 谱 图，对 改 性 前 后 的 的 谱 进 行 分

27、析，可 以 发 现，改性 前 后 的 衍 射 峰 是 相 似 的，伴 随 着 从 到，各个 衍 射 峰 分 别 对 应 于 的（）、（）、（）、（）和（）晶 面，晶 格 常 数，（标 准 比对 卡），这 表 明 样 品 具 有 结 晶 较 好 的 晶 体相。峰 形 尖 锐，既 没 有 新 峰 的 出 现，也 没 有 旧 峰 的 消 失，这 说明 蔗 糖 辅 助 球 磨 改 性 并 没 有 导 致 新 相 的 产 生，没 有 破 坏 的 晶 体 结 构。图 和 改 性 的 谱 热 失 重 曲 线 的 变 化 规 律图 为、蔗 糖 辅 助 球 磨 改 性 以 及 蔗 糖 的 热 失重 曲 线。在

28、加 热 过 程 中，随 着 温 度 不 断 升 高，蔗 糖 的 质 量 减少 最 明 显，经 分 析 是 因 为 蔗 糖 作 为 一 种 多 羟 基 的 有 机 化 合物，在 较 高 温 度 下 容 易 发 生 热 分 解。热 失 重 约，改 性 后 的 粉 末 质 量 减 少 更 明 显，约 为。这 是 因 为 原始 的 粉 末 在 高 温 条 件 下 具 有 较 好 的 稳 定 性，因 此 表 现出 较 小 的 热 失 重，改 性 处 理 后 得 到 的 表 面 接 枝 了 羟 基官 能 团，共 价 键 热 稳 定 性 较 差，羟 基 官 能 团 在 较 高 温 度下 容 易 发 生 热

29、分 解，因 此 加 热 过 程 中 改 性 表 现 出 较 明显 的 质 量 减 少。但 与 改 性 在 高 温 下 的 质 量 变 化相 差 约，这 也 可 以 认 为 改 性 前 后 的 质 量 变 化极 小。图 热 失 重 曲 线（电 子 版 为 彩 图）改 性 前 后 氮 化 硼 环 氧 树 脂 复 合 材 料 热 导 率 的 变化 规 律导 热 性 能 是 评 判 复 合 材 料 性 能 的 重 要 指 标 之 一，首 先 给出 热 导 率 提 升 因 子（，）的 定义 式。（）式 中：为 氮 化 硼 环 氧 树 脂 复 合 材 料 的 热 导 率（）；为 纯 环 氧 树 脂 的 热

30、 导 率（）。图 为 环 氧 树 脂 复 合 材 料 的 热 导 率 与 填 料 含 量 的 关 系图，图 为 不 同填料含量下环氧树脂复合 材 料 的 值。由利 用 蔗 糖 改 性 氮 化 硼 提 高 环 氧 树 脂 复 合 材 料 的 导 热 性 能 杨 薛 明 等 图 可知，所 制备 的 纯 环 氧 树 脂 热 导 率 为（），相 较 于 纯 环 氧 树 脂，环 氧 树 脂 复 合 材 料 的 热 导 率 有 一定 的 提 升，随 着 所 填 充 的 质 量 分 数 逐 渐 增 加，环氧 树 脂 复 合 材 料 的 热 导 率 逐 渐 增 大。当 添 加 的 质 量 分数 达 到 时，复

31、 合 材 料 的 热 导 率 为（），值 为；当 添 加 改 性 粉 末 的 质 量 分 数 为 时，复合 材 料 的 热 导 率 可 以 达 到（），值 为，此 时 复 合 材 料 的 热 导 率 是 纯 环 氧 树 脂 材 料 的 倍。在 添 加 相 同 含 量 的 填 料 时，改 性 环 氧 树 脂 复 合 材 料 导热 性 能 相 比 环 氧 树 脂 复 合 材 料 导 热 性 能 均 有 大 幅 度 提高，这 是 因 为 通 过 蔗 糖 辅 助 球 磨 改 性 处 理 后，被 剥 离 成，同 时 在 的 表 面 又 接 枝 了 羟 基，羟 基 的 加 入 一 方面 有 利 于 之 间

32、 构 建 更 有 效 的 导 热 通 路，另 一 方 面 也 能够 提 升 与 环 氧 树 脂 基 体 之 间 的 相 容 性，使 填 料 与 基体 结 合 得 更 紧 密，减 小 界 面 热 阻，能 够 更 有 效 地 提 高 复 合 材料 的 导 热 系 数。图 环 氧 树 脂 及 其 复 合 材 料 的 热 导 率 测 试 结 果 图 不 同 填 料 含 量 下 环 氧 树 脂 复 合 材 料 的 值（电 子 版 为 彩 图）改 性 前 后 氮 化 硼 环 氧 树 脂 复 合 材 料 界 面 热 阻 计 算基 于 以 上 测 试 得 到 的 复 合 材 料 热 导 率 值，本 研 究 根

33、 据 等 提 出 的 理 论 模 型 反 推 得 到 改 性 前 后 环氧 树 脂 复 合 材 料 中 填 料 颗 粒 与 基 质 之 间 的 界 面 热 阻。通过 界 面 热 阻 值 来 进 一 步 解 释 改 性 提 升 环 氧 树 脂 复 合 材料 热 导 率 的 机 理。记 填 料 颗 粒 与 环 氧 树 脂 基 质 之 间 的 界 面 热 阻 为，当 改 性 后 填 料 颗 粒 在 环 氧 树 脂 基 质 中 呈 现 完 全 随机 分 布 时，此 时 环 氧 树 脂 复 合 材 料 的宏 观 热 导 率 表 现 为 各 向 同 性，即：（）（）（）式 中：为 环 氧 树 脂 复 合

34、材 料 的 热 导 率（）；为 环 氧 树 脂 复 合 材 料 在 方 向 上 的 热 导 率（）；为 环 氧 树 脂 复 合 材 料 在 方 向 上 的 热 导 率（）；为 环 氧 树 脂 复 合 材 料 在 方 向 上 的 热 导 率（）；为 环 氧 树 脂 基 质 的 热 导 率（），在 这 里 取（）；为 改 性 填 料 颗 粒 的 体 积 分 数（）；为 填 料 颗 粒 在 方 向 上 的 等 效 热 导 率 和 环 氧 树 脂 基 质 热导 率 对 环 氧 树 脂 复 合 材 料 热 导 率 的 影 响 系 数；为 填料 颗 粒 在 方 向 上 的 等 效 热 导 率 和 环 氧

35、树 脂 基 质 热 导 率 对 环 氧 树 脂 复 合 材 料 热 导 率 的 影 响 系 数；和 为 去 极因 子。为 改 性 填 料 颗 粒 的 纵 横 比，定 义 如 下：（）式 中：为 改 性 填 料 颗 粒 的 厚 度（）；为 改 性 填料 颗 粒 的 直 径（）。当 时，和 表 达 式 如 下：（）（）（）（）和 分 别 定 义 如 下：（）（）（）（）式 中：为 填 料 颗 粒 在 方 向 上 的 等 效 热 导 率；为 填 料 颗 粒在 方 向 上 的 等 效 热 导 率。其 表 达 式 如 下：（）（）式 中：为 改 性 填 料 颗 粒 的 热 导 率，在 这 里 方 向 取

36、（），方 向 取（）；定 义 如 式（）所 示。（）（）（）为 无 量 纲 参 数，其 表 达 式 如 下：（）称 之 为 半 径，定 义 如 下：（）已 知 环 氧 树 脂 复 合 材 料 的 宏 观 热 导 率，通 过 式（）式（）反 推，计 算 得 到 环 氧 树 脂 复 合 材 料 的 界 面 热 阻为，改 性 环 氧 树 脂 复 合 材 料 的 界面 热 阻 为，改 性 后 环 氧 树 脂 复 合材 料 的 界 面 热 阻 值 约 为 未 改 性 时 的。这 说 明 与 环氧 树 脂 复 合 材 料 相 比，改 性 环 氧 树 脂 复 合 材 料 在 填 料材 料 导 报，（）：颗

37、粒 与 环 氧 树 脂 基 质 之 间 的 界 面 处 具 有 更 小 的 界 面 热 阻，因此 改 性 环 氧 树 脂 复 合 材 料 的 热 导 率 提 升 更 明 显。结 论（）蔗 糖 辅 助 机 械 化 学 剥 离（）方 法 能 够 将 由 较 大 的 粒 径 剥 离 成 厚 度 较 薄 的 小 粒 径，同 时 改 性 相对 于 具 有 较 好 的 分 散 性，团 聚 现 象 得 到 相 对 改 善。（）蔗 糖 辅 助 机 械 化 学 剥 离（）方 法 没 有 破 坏 原 有 的 晶 体 结 构，同 时 蔗 糖 辅 助 机 械 化 学 剥 离 后 的 红 外 光 谱 图 在 波 长 为

38、 处 出 现 了 较 明 显 的 羟 基 的特 征 吸 收 峰，说 明 该 方 法 可 以 使 接 枝 上 羟 基 官 能 团，使其 性 能 发 生 改 变。（）在 较 高 温 度 下，与 相 比，改 性 后 的 质 量 减少 更 明 显，说 明 通 过 蔗 糖 辅 助 球 磨 改 性 处 理，表 面 成 功接 枝 了 羟 基 官 能 团。（）当 添 加 改 性 粉 末 的 质 量 分 数 为 时，复 合材 料 的 热 导 率 可 以 达 到（），此 时 复 合 材 料 的热 导 率 是 纯 环 氧 树 脂 材 料 的 倍，复 合 材 料 导 热 性 能 明 显提 升。（）环 氧 树 脂 复

39、合 材 料 的 界 面 热 阻 为，改 性 环 氧 树 脂 复 合 材 料 的 界 面 热 阻 为，改 性 后 的 环 氧 树 脂 复 合 材 料 的界 面 热 阻 值 约 为 改 性 前 的，这 进 一 步 解 释 了 改 性 环 氧 树 脂 复 合 材 料 的 热 导 率 提 升 更 明 显 的 原 因。参 考 文 献，（），（）王 文，夏 宇 绝 缘 材 料，（），（），（）李 侃 社，王 琪 功 能 材 料，（），（）周 文 英 高 导 热 绝 缘 高 分 子 复 合 材 料 研 究 硕 士 学 位 论 文，西 北 工业 大 学，（），（）赵 敬 棋，孟 凡 成，申 景 博，等 化 学

40、 工 业 与 工 程，（），（）彭 鹏 高 导 热 环 氧 树 脂 复 合 材 料 的 制 备 与 研 究 硕 士 学 位 论 文，上海 交 通 大 学，（）虞 锦 洪 高 导 热 聚 合 物 基 复 合 材 料 的 制 备 与 性 能 研 究 硕 士 学 位 论文，上 海 交 通 大 学，（）王 婷 婷 空 冷 汽 轮 发 电 机 定 子 主 绝 缘 的 电 热 场 研 究 硕 士 学 位 论文，北 京 交 通 大 学，（），（），（），（），（）李 攀 敏，钟 朝 位，童 启 铭，等 电 子 元 件 与 材 料，（），（），（），（），（），（），（），（），：，（），（）马 振 宁，钟

41、博，王 培 侨，等 材 料 导 报：研 究 篇，（），（），（）汪 蔚，曹 万 荣，陈 婷 婷 复 合 材 料 学 报，（），（），（）高 利 达，李 祥，张 效 重，等 复 合 材 料 学 报，（），（），（），（），（），（），（责 任 编 辑 赖 丹）杨 薛 明，通 信 作 者，教 授，博 士 研 究 生 导 师。年 获 得 华 北 电 力 大 学 工 学 学 士 学 位，年 获得 华 北 电 力 大 学 工 学 硕 士 学 位，年 获 得 华 北 电力 大 学 工 学 博 士 学 位，年 留 学 美 国 匹 兹 堡 大 学从 事 博 士 后 研 究，年 在 清 华 大 学 航 天 航 空 学 院从 事 博 士 后 研 究，现 从 事 微 纳 尺 度 传 热 传 质、复 合材 料 热 物 性 相 关 研 究。共 发 表 论 文 余 篇，其 中 收 录 余 篇。利 用 蔗 糖 改 性 氮 化 硼 提 高 环 氧 树 脂 复 合 材 料 的 导 热 性 能 杨 薛 明 等