高导热高性能纤维环氧复合材料的制备及导热机理研究

Heat dissipation problem is the primary factor restricting the using life of electronic component, thermal conductivity property becomes a bottleneck hindering the development of aviation, aerospace and other industries of electronic information industry. Improving the thermal conductivity property research has very important theoretical and practical values. Stretch orientation and radiation crosslinking method will be applied to improve the thermal conductivity of ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) fiber in this application project and UHMWPE fiber is surface treated. High thermal conductivity and high performance UHMWPE fiber/epoxy composite will be prepared with high thermal conductivity UHMWPE fiber. Stretch crystalline orientation method combining the radiation crosslinking method are proposed to improve the phonon thermal path of PE fiber. Electron beam irradiation grafting method and plasma surface treatment are used to increase the chemical or physical binding force between PE fiber and epoxy matrix. The improvement of the macroscopic heat conduction theory of polymer-based composites and heat conduction mechanism will give some advice and theoretical basis to design and prepare high thermal conductivity and high performance fiber composite.

散热问题成为制约电子元器件寿命的首要影响因素，材料的导热性能已成为阻碍电子信息产业甚至航空、航天等行业发展的瓶颈，因此提高材料的导热性能的研究具有非常重要的理论价值和实际应用价值。本申请项目拟采用拉伸取向与辐照交联相结合的方法制备出高导热高性能的超高分子量聚乙烯纤维，制备出的纤维进行表面处理后与环氧树脂复合后制备出高导热高性能纤维环氧复合材料。提出辐照交联与结晶取向相结合的方法提高聚乙烯纤维的声子导热通路，利用电子束辐照接枝法和等离子体表面处理法改善纤维与环氧树脂的化学或者物理结合力，完善聚合物基复合材料的宏观热传导理论和导热机理,为设计和制备高导热高性能纤维复合材料提供理论依据。

散热问题成为制约电子元器件寿命的首要影响因素，因此提高材料的导热性能的研究具有非常重要的理论价值和实际应用价值。本申请项目拟采用拉伸取向与辐照交联相结合的方法制备出高导热高性能的UHMWPE纤维，制备出的纤维进行表面处理后与环氧树脂复合后制备出高导热高性能纤维环氧复合材料，完善聚合物基复合材料的宏观热传导理论和导热机理,为设计和制备高导热高性能纤维复合材料提供理论依据。.1. UHMWPE、TMPTMA/UHMWPE和TPGDA/UHMWPE复合材料：通过引入交联助剂TMPTMA和TPGDA到UHMWPE中，后经电子束辐照交联，可保证在降低辐照剂量的同时提高UHMWPE材料的交联程度。.(a) FTIR和凝胶含量测试结果表明复合材料中均发生了交联反应，TMPTMA和TPGDA有利于在降低辐照剂量的同时提高UHMWPE的交联程度。.(b) 辐照后材料结晶度均有所增加，TMPTMA和TPGDA有利于UHMWPE结晶。.2. UHMWPE本征导热：通过控制降温程序的方法提高UHMWPE材料的本征导热性能。.(a)降温速率、保温温度和保温时间均会影响材料的结晶，降温速率越慢，在125℃保温，且保温时间越长越有利于UHMWPE结晶度提高和结晶规整性。.(b)随机冷却最有利于UHMWPE结晶度、熔点、导热系数、拉伸强度的提高。随机冷却导热系数为0.593 W/(m•K),比10 min水压冷时高17.9%。.(c) 导热系数提高是由于UHMWPE中的一个一个球晶连成晶桥来实现，即导热提高的机理为结晶晶桥导热机理，随机冷却的方式相当于拓宽了晶桥宽度，从而有利于导热声子的传递，导热系数提高。.3. UHMWPE纤维的制备及其复合材料的制备和性能研究：采用干法纺丝工艺，以UHMWPE纤维专用树脂为原料，制备高性能UHMWPE纤维。并将UHMWPE纤维与环氧树脂复合制备出复合材料，并对其导热性能进行了研究。.(a)随着拉伸倍率的增加，纤维初生丝结晶度由49.57% 逐渐提高至72.17%，拉伸倍率50 倍以后，结晶度逐渐趋于平稳；随拉伸倍率的增加，纤维力学性能逐渐增强。.(b) 导热系数随复合材料中纤维的牵伸倍数的增加，导热系数逐渐增加。UHMWPE纤维在拉伸50.2倍的时候，导热系数超过5.5 W/（mK），取得了较好的导热系数，这也为高导热绝缘复合材料的制备提供了借鉴。