導熱型聚酰胺化工復合材料的介電性能研究

姚軍龍，朱海祥，郭沐杰，馮亞光，周 敏，江學良

(武漢工程大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430073)

實 驗 研 究

導熱型聚酰胺化工復合材料的介電性能研究

姚軍龍，朱海祥，郭沐杰，馮亞光，周 敏，江學良

(武漢工程大學 材料科學與工程學院，湖北 武漢 430073)

在聚酰胺(PA6)基體中填充導熱性碳化硅(SiC)顆粒，通過熱壓法制備出系列SiC/PA化工復合材料；對復合材料的導熱和介電性能分別進行研究，結果表明，SiC填料能夠提高聚酰胺基體的介電和導熱性能：在體積比為25%時，SiC/PA復合材料介電常數達到最高值8.7，是聚合物基體的2.0倍，其熱導率也由0.25W/(m·K)提高至0.74W/(m·K)。為進一步提升復合材料的介電性能，在聚合物基體中，再添入具有高介電性能的鈦酸鋇(BT)陶瓷，制備出系列BT/SiC/PA三相復合材料，結果表明，當BT的體積分數為20%和50%的時候，復合材料的介電常數達到63，為聚合物基體的14.5倍，熱導率也達到0.35 W/(m·K)，加入BT后能大幅提高聚酰胺基體的介電性能，獲得最優綜合性能。綜合上述研究可知，通過在PA中添加SiC和BT等填料，能夠迅速提高聚合物的介電常數和導熱系數，而介電損耗仍保持在較低水平(0.11及以下)，可以得到具有介電和導熱綜合性能最優的聚合物化工復合材料。

聚酰胺；碳化硅；介電性能；導熱系數；鈦酸鋇

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2017.04.003

聚合物基導熱化工材料具有優良的力學性能、電絕緣性，并且其加工性能優異，熱導率高，成本低廉，因而成為目前熱控制領域的理想材料，特別是電氣電子領域。但是其介電常數較低，抗靜電性能不足，已經不能滿足當下電子設備的需求，而對導熱聚合物材料介電性能的研究目前還未展開。現有聚合物基導熱材料已無法滿足高性能和極端條件下的高導熱和高介電性能方面的要求，迫切需要開發出同時兼備介電常數高、介電損耗低、導熱性能良好、力學性能好、成型加工容易等特點的材料，以滿足電動汽車、航空航天、電力電子等諸多制造業及科學技術等領域的發展需求。開發具有高熱導率、低介電損耗、低成本等優良綜合性能的聚合物基復合材料已經成為研究熱點，受到越來越多研究學者的關注[1-9]。

本研究選擇SiC作為導熱填料填充入PA聚合物基體中，制備SiC/PA聚合物基導熱復合材料，以改善其導熱性能并提高其介電常數，在介電性能最佳的SiC/PA復合材料原料配比基礎上，再添加具有高介電常數的BT陶瓷粉末[10]作為第三相，測試出介最佳電性能的BT/SiC/PA三相復合材料的配比并優化，從而得到同時具備高介電性能以及導熱性能的聚合物基導熱復合材料[11]。

1 實驗部分

1.1 主要原料

主要原料及其制造公司如下：碳化硅(SiC)，分析純，阿拉丁試劑有限公司；聚酰胺(PA)，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；鈦酸鋇(BT)，BT-301，上海典揚實業有限公司；導電銀漿，SS-5200，上海新盧伊有限公司。

1.2 主要設備及儀器

主要設備及儀器如下：電子天平，FA2004，上海恒平科學儀器有限公司；鼓風干燥箱，WGL-65B，天津市泰斯特儀器有限公司；熱壓機，R-3202，武漢啟恩科技有限公司；精密LCR表，Agilent E4980A，深圳市安吉倫電子儀器有限公司；游標卡尺，GB/T1214，上海量具刃具廠；C-THERM熱系數分析儀，云南磷酸鹽化學研究所。

1.3 樣品制備

1.3.1 SiC/PA復合材料的制備

按照不同體積比(導熱填料/聚合物基體為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%)分別準確稱取一定量的SiC和聚酰胺粉，將兩者放入瑪瑙研缽中研磨20min，直到研磨均勻，得到不同體積比的SiC/PA聚合物混料，把混料放入專用模具中熱壓成型，成型條件如下：溫度為190～200℃，壓力為15MPa，保壓 30min后得到直徑約為12mm的復合材料樣片。

1.3.2 BT/SiC/PA復合材料的制備

按照實驗測得介電性能最佳的SiC/PA復合材料的體積比(SiC/PA)為SiC與PA的固定體積比，再按照不同體積比(鈦酸鋇/復合材料)分別準確稱取BT、SIC、PA粉末，將三者放入瑪瑙研缽中研磨20min，直到研磨均勻，得到不同體積比的BT/SiC/PA混料，把混料放入專用模具中熱壓成型，成型條件如下：溫度為190℃，壓力為15MPa。保壓30min后得到直徑約12mm、厚度約1～2mm的不同體積比BT/SiC/PA的復合材料樣片。

固定BT與PA的體積比，按照不同體積比(碳化硅/復合材料)，分別準確稱取BT、SIC、PA粉末，將三者放入瑪瑙研缽中研磨20min，直到研磨均勻，得到不同體積比的BT/SiC/PA混料，把混料放入專用模具中熱壓成型，成型條件如下：溫度為190℃，壓力為15MPa。保壓30min后得到直徑約12mm、厚度約1～2mm的不同體積比BT/SiC/PA復合材料樣片。

1.4 性能測試

1.4.1 介電性能測試

將制得的復合材料樣片用細砂紙(800～1 000目)打磨、拋光、測試其厚度，然后在樣片兩面均勻涂上一層厚度適中的導電銀膠，并置入鼓風干燥箱烘干(70℃)。之后用Agilent E4980A型精密LCR表測試在不同頻率(100Hz～1MHz)下的介電損耗和電容C。由公式(1)可得復合材料的相對介電常數ε。

ε=Cd/ε0A

(1)

式中，C為電容，F；d為試樣厚度，m；A為試樣表面積，m2；ε0為真空介電常數，F/m。

1.4.2 導熱系數測試

本試驗采用C-THERM熱系數分析儀測試樣品，其直徑為12mm、厚度為1～2mm。樣品測試均在室溫下，每個樣品至少測試3次，求平均值即為樣品的熱導率值。

2 結果與討論

2.1 介電性能分析

不同SiC體積比的SiC/PA復合材料在不同頻率下的介電常數與介電損耗變化見圖1和圖2。可以看出，SiC的加入可以提升材料的介電常數，但是其介電損耗也隨之增加，當SiC所占體積比達到30%的時候，其介電損耗已經超過了0.10，而25%SiC組分的材料介電損耗比30%SiC和20%SiC的組分都要低一些，且其介電常數也達到了8.9。故而，選擇在這一配比中進一步加入鈦酸鋇陶瓷以繼續提升其性能。

圖1 不同體積比的SiC/PA復合材料的介電常數

圖2 不同體積比的SiC/PA復合材料的介電損耗

不同BT體積比的BT/SiC/PA復合材料在不同頻率下的介電常數變化見圖3，不同BT體積比的三相復合材料的介電損耗見圖4。由圖3可得，BT所占體積比越大，復合材料的介電常數也就越大，當BT所占體積比達到50%的時候，材料的介電常數高達63，并且圖4中顯示的BT體積比增大會導致復合材料介電損耗降低至0.10左右。所以，通過向聚合物基體中添加高介電常數的陶瓷粉末可以很好地改善復合材料的介電性能。

圖3 不同BT體積比的三相復合材料的介電常數

圖4 不同BT體積比的三相復合材料的介電損耗

2.2 導熱性能

在對材料導熱性能的分析中，我們通過以SiC與PA的體積比1∶3作為固定配比，然后改變BT的體積比制得一系列三相復合材料的熱導率，觀察復合材料熱導率的變化，從而得出BT對材料導熱性能的影響。

不同BT所占體積比的復合材料的熱導率見圖5，可以看出，在固定SiC與PA體積比的情況下，隨BT含量的增加，復合材料的熱導率隨之減小。當BT占體積比達到30%的時候，復合材料的熱導率已經低至0.22W/(m·K)，已經低于聚合物PA本身的熱導率0.25W/(m·K)。

圖5 不同BT體積比的三相復合材料的導熱系數

圖6 不同SiC體積比的三相復合材料的導熱系數

然后再以1∶3作為BT與PA的固定體積比，通過改變SiC的含量來得到SiC對復合材料導熱性能的變化，不同SiC所占體積比的復合材料的熱導率變化見圖6。在固定BT與PA體積比的情況下，SiC含量的增加會引起復合材料熱導率顯著增長，所以通過向PA基體添加導熱填料SiC以及陶瓷粉末BT，可以提高復合材料的介電性能以及導熱性能，但是BT粉末的含量過高會導致復合材料熱導率下降嚴重，故而少量添加BT可以較好地改善材料的介電性能。

3 結語

使用SiC導熱填料填充PA聚合物基體制備出系列復合材料，測試結果可以得出SiC能改善復合材料導熱性能并提升其介電常數，而BT的加入可以很好地改善材料的介電性能的結論。因此，在PA中加入一定量的SiC及BT，制得的聚合物基導熱復合材料具有了高介電性能以及導熱性能，可以應用于電子封裝材料、抗靜電材料等化工材料領域。

[1]吳炯，沈官秋.電氣材料及其應用[M].西安：陜西科學技術出版社，1983.

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[5]姜海輝.氮化硼和氮化碳納米材料的合成與表征[D].山東大學，2006.

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[11]楊曉軍，楊志民，毛昌輝．高介電常數EP/BT復合材料介電性能的研究[J]．化工新型材料，2006，34(12)：27-30.

行業信息

內蒙古將擬建的170萬t/a煤制烯烴變更為100萬t/a乙二醇

內蒙古自治區呼和浩特市托克托工業園區久泰煤化工項目于6月底開始實施更換產品的方案，由原有的170萬t/a煤制烯烴及配套精細產品更換為100萬t/a乙二醇。久泰煤基烯烴項目原規劃投資400億元，在呼和浩特托克托縣托克托工業園區建設年產400萬t煤制甲醇、170萬t烯烴項目，建成后年產值預計達180億元。

據悉，目前，久泰托克托工業園區100萬t/a乙二醇項目公司已注冊，工程設計總圖已出，鳥瞰圖設計已完成，乙二醇項目可研已編制，項目初期用地規模擬定為2 000畝。該地塊已征用土地3 867.34畝，其中已有570畝完成報批手續。

(本刊通訊員)

Study on Dielectric Properties of Thermal Conducting Polyamide Composites

YAO Jun-long，ZHU Hai-xiang，GUO Mu-jie，FENG Ya-guang，ZHOU Min，JIANG Xue-liang

(Wuhan Institute of Technology Materials Science and Engineering，Wuhan Hubei 430073，China)

The SiC/PA chemical composite series can be prepared by filling thermal conducting SiC particles into PA6 matrix with thermal-pressing method.Research on the thermal conductivity and dielectric properties of the composites shows that the SiC filler can effectively improve the thermal conductivity and dielectric properties of polyamide matrix.When the volume ratio is 25%，dielectric constant of SiC/PA composites is the highest (8.7)，which is twice the value of polymer matrix.The thermal conductivity is also improved from 0.25W/(m·K)to 0.74W/(m·K).Barium Titanate (BT) ceramic，which is of high dielectric property，is then added into the SiC/PA matrix for further improvement of the dielectric property.The final product is a BT/SiC/PA three- phase composite.When BT occupies 20% and 50% of the total volume，the dielectric constant of the composite is 63，which is 14.5 times of the polymer matrix，the thermal conductivity is 0.35 W/m·K.The dielectric property of polyamide matrix is greatly improved after adding BT.It can be concluded from this research that by adding fillers such as SiC and BT into PA，the dielectric constant and heat conductivity coefficient of polymer will be rapidly improved while the dielectric loss is still kept at a rather low level (0.11 or less than 0.11)，thus obtaining a polymer chemical composite with the best thermal conductivity and dielectric properties.

polyamide，silicon carbide (SiC)，dielectric property，thermal conductivity，barium titanate

國家自然科學基金(51273154)

姚軍龍(1973年—)，男，湖北荊州人，2009年畢業于武漢理工大學材料專業，博士，現主要從事化學復合材料制備及其性能研究的工作。

10.3969/j.issn.1004-8901.2017.04.003

O633.22

A

1004-8901(2017)04-0007-04

2017-05-08