一种铁酸钴/氮化硼/环氧树脂导热材料及其制备方法与流程

[0001]
本发明属于导热材料技术领域，具体涉及一种铁酸钴/氮化硼/环氧树脂导热材料及其制备方法。


背景技术：

[0002]
环氧树脂种类众多，包括双酚a环氧树脂、脂肪族环氧树脂、酚醛环氧树脂等，其中双酚a环氧树脂是使用范围最广的一类环氧树脂。但是，环氧树脂在电子电气应用上存在的以下问题：一、导热性差，环氧树脂导热系数低(＜0.2w/m
·
k)，无法将产生的热量及时散去；二、抗冲击性差，韧性低，质脆，抗冲击性能不足。
[0003]
现有技术中，大多通过导热填料提高环氧树脂的导热性。其中，导热填料以无机导热填料为主，包括金属填料、氧化物填料、碳材料和导热氮化物填料。氮化硼(bn)能够在保持环氧树脂优异绝缘性的同时，有效提高环氧树脂的导热性。但是，氮化硼在环氧树脂中无序分布，限制了环氧树脂导热性的提升。


技术实现要素：

[0004]
基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明提供一种铁酸钴/氮化硼/环氧树脂导热材料及其制备方法。
[0005]
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
[0006]
一种铁酸钴/氮化硼/环氧树脂导热材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007]
(1)bn粉末加入剥离液中进行水热反应，得到反应产物；将反应产物依次进行超声分散、离心，得到含有bn纳米片的悬浮液；将含有bn纳米片的悬浮液进行抽滤、干燥，得到bn纳米片；
[0008]
(2)将bn纳米片进行分散，得到bn纳米片分散液；将钴源和铁源加入bn纳米片分散液中混合均匀得到混合液；将碱液滴入混合液中并升温至60～90℃进行保温，保温后收集沉淀物，洗涤、干燥，得到cofe2o4/bn复合物；
[0009]
(3)将cofe2o4/bn复合物超声分散于水中，然后添加至液体环氧树脂中进行减压蒸馏，得到铁酸钴/氮化硼/环氧树脂混合液；将固化剂添加至铁酸钴/氮化硼/环氧树脂混合液，在冰浴及真空条件下搅拌，得到环氧树脂混合体系；将环氧树脂混合体系浇筑至模具中，在磁场作用下固化，得到铁酸钴/氮化硼/环氧树脂导热材料。
[0010]
作为优选方案，所述cofe2o4/bn复合物中cofe2o4与bn的摩尔比为1：1～5。
[0011]
作为优选方案，所述cofe2o4/bn复合物在铁酸钴/氮化硼/环氧树脂导热材料的含量为2.5～20wt％。
[0012]
作为优选方案，所述磁场的强度为100～300mt。
[0013]
作为优选方案，所述步骤(1)中，剥离液为四甲基氢氧化铵溶液、氢氧化铵溶液、四乙基氢氧化铵溶液、四丙基氢氧化铵溶液、四丁基氢氧化铵溶液中的一种或多种。
[0014]
作为优选方案，所述步骤(1)中，水热反应的条件包括：反应温度为160～180℃、反
应时间至少6h。
[0015]
作为优选方案，所述步骤(1)中，离心的转速为1500～3000rpm。
[0016]
作为优选方案，所述步骤(2)中，钴源为硝酸钴、氯化钴、乙酸钴、硫酸钴中的至少一种，铁源为硝酸铁、氯化铁、硫酸铁中的至少一种，碱液为naoh溶液、koh溶液中的至少一种。
[0017]
作为优选方案，所述步骤(3)中，减压蒸馏的条件为：温度70～100℃，时间4～8小时；固化剂为593固化剂、gy-051固化剂、590固化剂、701固化剂、702固化剂、703固化剂或120固化剂。
[0018]
本发明还提供一种铁酸钴/氮化硼/环氧树脂导热材料，如上任一方案所述的制备方法制得。
[0019]
本发明与现有技术相比，有益效果是：
[0020]
本发明的铁酸钴/氮化硼/环氧树脂导热材料，通过在剥离后的bn纳米片的表面原位生长cofe2o4，并通过磁场调控cofe2o4/bn复合物在环氧树脂内部的定向排列，在环氧树脂基体内部构建高效导热通道；基于cofe2o4的导热性能位于bn与环氧树脂之间，降低bn纳米片与环氧树脂基体之间的界面热阻，实现环氧树脂导热性和抗冲击性协同提高，扩大环氧基导热材料在电气领域的应用范围。
附图说明
[0021]
图1是本发明实施例的bn片层剥离前(a)和剥离后(b)的sem照片；
[0022]
图2是本发明实施例的cofe2o4/bn纳米复合材料的sem照片及其局部放大图；
[0023]
图3是本发明实施例的不同质量分数的cofe2o4/bn纳米复合材料对铁酸钴/氮化硼/环氧树脂导热材料的导热性能影响的变化图；
[0024]
图4是本发明实施例的不同质量分数的cofe2o4/bn纳米复合材料对铁酸钴/氮化硼/环氧树脂导热材料的冲击性能影响的变化图。
具体实施方式
[0025]
以下通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步解释说明。
[0026]
实施例：
[0027]
本实施例的铁酸钴/氮化硼/环氧树脂导热材料的制备方法，包括以下步骤：
[0028]
(1)bn的剥离
[0029]
①
配置50％四甲基氢氧化铵溶液；
[0030]
②
将2g bn粉末(约3μm)加入到80ml四甲基氢氧化铵溶液中，然后转移到100ml高压反应釜中，180℃保持12h；
[0031]
③
反应结束，冷却至室温，固体产物收集并分散于400ml去离子水中，超声2h；
[0032]
④
抽滤后用去离子水洗至中性后，将粉末再次分散于200ml去离子水中；
[0033]
⑤
在2000rpm的转速下离心30min，得含有bn纳米片的悬浮液；
[0034]
⑥
使用聚丙烯滤膜(0.8μm)进行真空抽滤后，在60℃下真空干燥，得到bn纳米片粉末。
[0035]
如图1所示，未剥离的bn片层呈紧密堆叠状态，厚度较厚；在水热剥离后，薄片状的
bn被观察到，表明bn粉末被剥离成bn纳米片。
[0036]
(2)cofe2o4/bn纳米复合材料的制备
[0037]
①
将0.1g bn纳米片粉末分散在30ml去离子水中，形成bn纳米片分散液；
[0038]
②
将1mmol(0.582g)六水硝酸钴和2mmol(1.616g)九水硝酸铁加入到上述30ml bn分散液中，搅拌1h，形成均匀混合溶液；
[0039]
③
20mmol(0.8g)naoh溶于10ml去离子水中，配置2m的naoh溶液；
[0040]
④
将
③
中naoh溶液逐滴加入
②
中的混合溶液，混合溶液颜色逐渐变黑，滴加完升温至75℃，保温2h；
[0041]
⑤
保温结束，4000rpm下离心浓缩5min，收集沉淀；
[0042]
⑥
将收集的沉淀用水和乙醇分别洗涤3次，移除naoh和其它杂质，80℃真空干燥12h，获得cofe2o4/bn纳米复合材料。如图2所示，在bn纳米片表面成功原位生长cofe2o4纳米颗粒。
[0043]
(3)铁酸钴(cofe2o4)/氮化硼(bn)/环氧树脂(ep)导热材料的制备
[0044]
①
将所得cofe2o4/bn纳米复合材料添加到水溶液中，超声分散，然后加入到液体环氧树脂中，在80℃减压蒸馏6h，得到铁酸钴/氮化硼/环氧树脂混合液，再加入593固化剂，冰浴及真空条件下搅拌，得环氧树脂混合体系；其中，真空条件的作用是排尽气泡，保证固化后材料的结构致密性。
[0045]
②
将步骤
①
中制得的环氧树脂混合体系浇筑到不锈钢模具中，在强度为200mt的磁场下固化，得到铁酸钴/氮化硼/环氧树脂导热材料。
[0046]
研究本实施例的铁酸钴/氮化硼/环氧树脂导热材料(简称定向cofe2o4/bn/ep)中cofe2o4/bn复合材料的质量分数对铁酸钴/氮化硼/环氧树脂导热材料的导热性能和冲击性能的影响。
[0047]
如图3所示，随着cofe2o4/bn复合材料的质量分数的增加，导热材料的导热系数不断增大；其中，无序cofe2o4/bn/ep与定向cofe2o4/bn/ep的区别在于在固化过程未在磁场作用下进行，无序cofe2o4/bn/ep相对于bn/ep而言，导热系数更高，这是因为cofe2o4的添加，cofe2o4的导热系数位于bn与ep之间，降低了bn纳米片与环氧树脂基体之间的界面热阻，从而使得导热系数提高。对于无序cofe2o4/bn/ep，定向cofe2o4/bn/ep的导热系数更高，这是因为通过磁场调控cofe2o4/bn复合物在环氧树脂内部的定向排列，在环氧树脂基体内部构建高效导热通道，从而进一步提升了导热性能。
[0048]
如图4所示，随着cofe2o4/bn复合材料的质量分数的增加，导热材料的冲击强度先增加后降低，在cofe2o4/bn复合材料的质量分数5wt％左右达到最高，这是由于过高的填充含量会导致cofe2o4/bn复合材料在环氧树脂基体内产生团聚，从而降低cofe2o4/bn/ep的抗冲击性能。另外，无序cofe2o4/bn/ep相对于bn/ep而言，两者的冲击性能差异不大，甚至有所下降；而定向cofe2o4/bn/ep的冲击强度更佳，这主要归咎于：在定向cofe2o4/bn/ep中，cofe2o4/bn复合材料的定向排列能够更好的承载和耗散应力。
[0049]
在上述实施例及其替代方案中，cofe2o4/bn复合材料中cofe2o4与bn的摩尔比还可以为1：1、1：2、1：3、1：4等。
[0050]
在上述实施例及其替代方案中，磁场的强度还可以为100mt、150mt、250mt、300mt等，磁场太弱纳米颗粒可能无法定向，太强可能容易导致颗粒团聚。
[0051]
在上述实施例及其替代方案中，四甲基氢氧化铵溶液作为剥离液还可以为氢氧化铵溶液、四乙基氢氧化铵溶液、四丙基氢氧化铵溶液或四丁基氢氧化铵溶液，还可以四甲基氢氧化铵溶液、氢氧化铵溶液、四乙基氢氧化铵溶液、四丙基氢氧化铵溶液、四丁基氢氧化铵溶液中的多种。
[0052]
在上述实施例及其替代方案中，水热反应的反应温度还可以为160℃、165℃、170℃、175℃等，反应时间为6h、12h、20h、48h等。
[0053]
在上述实施例及其替代方案中，bn的剥离过程中离心的转速还可以为1500rpm、2500rpm、3000rpm等。
[0054]
在上述实施例及其替代方案中，钴源还可以为氯化钴、乙酸钴或硫酸钴，还可以为硝酸钴、氯化钴、乙酸钴、硫酸钴中的多种，铁源还可以为氯化铁或硫酸铁，还可以为硝酸铁、氯化铁、硫酸铁中的多种，碱液还可以为koh溶液或naoh溶液与koh溶液的混合液。
[0055]
在上述实施例及其替代方案中，cofe2o4/bn纳米复合材料的制备过程中，步骤
④
的升温的温度还可以为60℃、65℃、80℃、85℃、90℃等。
[0056]
在上述实施例及其替代方案中，减压蒸馏的温度还可以为70℃、85℃、90℃、100℃等，时间还可以为4小时、7小时、8小时等；固化剂还可以为gy-051固化剂、590固化剂、701固化剂、702固化剂、703固化剂或120固化剂。
[0057]
本发明的“/”代表“和”的含义。
[0058]
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

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