环氧树脂基复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种环氧树脂基复合材料及其制备方法。该制备方法包括如下步骤：将粘结剂、无机导热填料、造孔材料和溶剂混合，制备混合物A；依次对所述混合物A进行冻结处理和冻干处理，再去除造孔材料，制备导热骨架；将环氧树脂、固化剂和促进剂混合，制备混合物B；将所述导热骨架和混合物B混合，依次进行真空脱泡处理和固化处理；所述造孔材料选自碳酸氢铵、聚乙烯吡咯烷酮或氯化钠。该复合材料兼具高导热性和高绝缘性，在高频电力电子变压器中具有非常好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
环氧树脂基复合材料及其制备方法
本专利技术涉及聚合物复合材料
，特别涉及环氧树脂基复合材料及其制备方法。
技术介绍
环氧树脂，结构上具有羟基和环氧基，化学活性高，用途广泛。鉴于其具有力学性能高、附着力强、工艺性高和电绝缘性能优良等优势，常用于电力电子变压器的封装。随着电力电子技术的发展，电力电子变压器朝着高压化、高频化的方向发展，其产生的散热问题越来越严峻，对绝缘材料的导热能力和耐热性提出了更高的要求。但是纯环氧树脂本身的热导率低，热传导能力差，长期使用时存在绝缘热老化失效的隐患，对设备的安全以及稳定运行构成威胁。在现有的一些研究中，使用了金属类(如金、银、铜等)和碳类材料(如石墨、碳纤维等)作为导热填料，这虽然可以较大幅度提升环氧树脂的热导率，但由于使用了金属类和碳类材料，但会显著降低环氧树脂的绝缘性能，并不适合电力电子变压器用封装。其次，一般而言，导热填料的填充量越大，复合材料导热系数越大。但添加量多，其流延性就会下降，不利于复合材料的加工成型。如何在低填料填充量的条件下同时实现环氧树脂基复合材料具有高导热和高绝缘性能是研究人员亟需解决的问题。
技术实现思路
基于此，本专利技术提供了一种高导热、高绝缘的环氧树脂基复合材料及其制备方法。技术方案如下：一种环氧树脂基复合材料的制备方法，包括如下步骤：将粘结剂、无机导热填料、造孔材料和溶剂混合，制备混合物A；依次对所述混合物A进行冻结处理和冻干处理，再去除造孔材料，制备导热骨架；将环氧树脂、固化剂和促进剂混合，制备混合物B；将所述导热骨架和混合物B混合，依次进行真空脱泡处理和固化处理；所述造孔材料选自碳酸氢铵、聚乙烯吡咯烷酮或氯化钠。在其中一实施例中，所述造孔材料为碳酸氢铵，去除造孔材料的方法为热分解法；或所述造孔材料为聚乙烯吡咯烷酮，去除造孔材料的方法为热分解法或水洗法；或所述造孔材料为氯化钠，去除造孔材料的方法为水洗法。在其中一实施例中，所述冻结处理选自冰箱冻结、冷冻机冻结或采用制冷剂冻结。在其中一实施例中，所述冻结处理采用的制冷剂选自液氮、干冰或固体乙醇。在其中一实施例中，所述冻干处理采用的真空度<10Pa，温度<-50℃，时间>48h。在其中一实施例中，混合所述导热骨架和混合物B的方法为真空浸渍。在其中一实施例中，所述真空脱泡的时间为10h～48h，真空度≤133Pa。在其中一实施例中，所述固化处理包括预固化处理和二次固化处理，所述预固化处理的温度为90℃～110℃，时间为1.5h～3h；所述二次固化处理的温度为130℃～160℃，时间为8h～15h。在其中一实施例中，所述无机导热填料选自氮化硼(BN)、氮化铝、氧化铝、金刚石和氮化硅中的至少一种；所述粘结剂选自纤维素、聚乙烯醇缩丁醛酯、冷溶型聚乙烯醇(例2488型)和硅酸钠中的至少一种；所述溶剂选自水、乙醇、丙酮和叔丁醇中的至少一种。在其中一实施例中，所述粘结剂、无机导热填料、造孔材料和溶剂的质量比为(1～3)：(10～40)：(5～20)：(20～40)。在其中一实施例中，所述环氧树脂选自双酚A型环氧树脂和双酚F型环氧树脂中的至少一种；所述固化剂选自甲基四氢苯酐和甲基六氢苯酐中的至少一种；所述促进剂选自2-乙基-4-甲基咪唑和N,N-二甲基苄胺中的至少一种。在其中一实施例中，所述环氧树脂、固化剂和促进剂的质量比为100：(50～110)：(0.5～5)。本专利技术还提供根据如上所述的环氧树脂基复合材料的制备方法制得的环氧树脂基复合材料。与现有方案相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供的环氧树脂基复合材料的制备方法，先利用粘结剂将无机导热填料和造孔材料连接，经冷冻干燥的方法去除溶剂，得固态中间体，再去除造孔材料，制得多孔的三维网络导热骨架，而后将环氧树脂、固化剂和促进剂和三维网络导热骨架混合，得到环氧树脂基复合材料。其中，导热通路主要由无机导热填料构建，粘结剂是“桥梁”，起到支撑骨架和增强填料之间的接触、降低界面热阻的作用。多孔可进一步将网络撑开，提高骨架的均匀性，更利于热量的传输。完整的导热通路的形成能够显著提升热量传输速率，大幅度提高热导率。并且，多孔还可使环氧树脂充分浸润，使环氧树脂更好地填充到导热骨架中，提高环氧树脂基复合材料的绝缘性。此外，本专利技术提供的制备方法操作简单，对加工设备要求低，易大量制备。经测试，在填充量40.9wt％下，本专利技术提供的环氧树脂基复合材料的热导率可以达到1.62W/m·K。在13kV以及工频条件下，其击穿场强仅比纯环氧树脂低13.3％；在13kV以及44kHz条件下，其击穿时间可达85.2s，比纯环氧树脂提高了接近3.5倍。充分说明本专利技术提供的环氧树脂基复合材料高导热、高绝缘，在高频电力电子变压器中具有非常好的应用前景。附图说明图1是本专利技术的实施例中的环氧树脂基复合材料在BN质量分数为34.3％时的显微结构图；图2是本专利技术实施例制备的BN占不同比例的环氧树脂基复合材料的热导率及其变化；图3是本专利技术实施例制备的BN占不同比例的环氧树脂基复合材料在工频条件下的击穿场强的变化；图4是本专利技术实施例制备的BN占不同比例的环氧树脂基复合材料在44kHz的频率下击穿时间的变化。具体实施方式以下结合具体实施例对本专利技术作进一步详细的说明。本专利技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本专利技术公开内容理解更加透彻全面。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本专利技术。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。在使用本文中描述的“包括”、“具有”、和“包含”的情况下，意图在于覆盖不排他的包含，除非使用了明确的限定用语，例如“仅”、“由……组成”等，否则还可以添加另一部件。除非相反地提及，否则单数形式的术语可以包括复数形式，并不能理解为其数量为一个。此外，附图并不是以1：1的比例绘制，并且各元件的相对尺寸在附图中仅以示例地绘制，以便于理解本专利技术，但不一定按照真实比例绘制，附图中的比例不构成对本专利技术的限制。具体地，本专利技术的技术方案如下：一种环氧树脂基复合材料的制备方法，包括如下步骤：将粘结剂、无机导热填料、造孔材料和溶剂混合，制备混合物A；依次对所述混合物A进行冻结处理和冻干处理，再去除造孔材料，制备导热骨架；将环氧树脂、固化剂和促进剂混合，制备混合物B；将所述导热骨架和混合物B混合，依次进行真空脱泡处理和固化处理；所述造孔材料选自碳酸氢铵、聚乙烯吡咯烷酮或氯化钠。先利用粘结剂将无本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种环氧树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n将粘结剂、无机导热填料、造孔材料和溶剂混合，制备混合物A；/n依次对所述混合物A进行冻结处理和冻干处理，再去除造孔材料，制备导热骨架；/n将环氧树脂、固化剂和促进剂混合，制备混合物B；/n将所述导热骨架和混合物B混合，依次进行真空脱泡处理和固化处理；/n所述造孔材料选自碳酸氢铵、聚乙烯吡咯烷酮或氯化钠。/n

【技术特征摘要】
1.一种环氧树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将粘结剂、无机导热填料、造孔材料和溶剂混合，制备混合物A；
依次对所述混合物A进行冻结处理和冻干处理，再去除造孔材料，制备导热骨架；
将环氧树脂、固化剂和促进剂混合，制备混合物B；
将所述导热骨架和混合物B混合，依次进行真空脱泡处理和固化处理；
所述造孔材料选自碳酸氢铵、聚乙烯吡咯烷酮或氯化钠。


2.根据权利要求1所述的环氧树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述造孔材料为碳酸氢铵，去除造孔材料的方法为热分解法；或
所述造孔材料为聚乙烯吡咯烷酮，去除造孔材料的方法为热分解法或水洗法；或
所述造孔材料为氯化钠，去除造孔材料的方法为水洗法。


3.根据权利要求1所述的环氧树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述冻结处理采用的制冷剂选自液氮、干冰或固体乙醇。


4.根据权利要求1所述的环氧树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述冻干处理采用的真空度<10Pa，温度<-50℃，时间>48h。


5.根据权利要求1所述的环氧树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，混合所述导热骨架和混合物B的方法为真空浸渍。


6.根据权利要求1所述的环氧树脂基复合材料的制备方法，其特征在于，所述真空脱...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨颖，姚彤，陈可，牛腾腾，王菁，
申请(专利权)人：清华大学，浙江清华长三角研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11