各向异性热传递性电磁干扰屏蔽复合材料和其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种各向异性的导热的电磁干扰(EMI)屏蔽复合材料，各向异性的导热的EMI复合材料包含多条对齐的聚合物纳米纤维，其用于形成聚合物支架，聚合物支架具有由聚合物纳米纤维构成的第一朝向平面和第二朝向平面。聚合物纳米纤维构成的第一朝向平面的热导率与第二平面的热导率基本上相同或类似，聚合物纳米纤维构成的第一朝向平面和第二朝向平面的热导率是由聚合物纳米纤维构成的第三朝向平面(贯穿纤维方向)的热导率的至少2倍，第三朝向平面与聚合物纳米纤维构成的第一朝向平面和第二朝向平面分别成约90度，同时，第一平面和第二平面中的每个平面的电阻比第三平面的电阻小至少3个数量级。还提供了一种用于制备本发明专利技术的复合材料的方法。本发明专利技术的复合材料的方法。

【技术实现步骤摘要】
各向异性热传递性电磁干扰屏蔽复合材料和其制备方法
相关申请的交叉引用本申请要求2020年10月28日提交的美国临时专利申请序列号63/106,371的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。


[0001]本专利技术涉及一种具有各向异性热传递性和电磁干扰(EMI)屏蔽性质的复合材料，具体地，一种由多个各向异性热传递性和EMI屏蔽纳米纤维形成的复合材料，并且还涉及一种用于制备所述复合材料的方法。

技术介绍

[0002]如今人们越来越意识到由不同装置引起的辐射污染。EMI屏蔽材料对于如飞机、航空航天和一些智能电子设备等一些需要无EMI环境运行的行业也很重要。因此，非常需要重量轻、灵活并且还具有高效率的EMI屏蔽材料或设备。然而，常规EMI屏蔽材料可能不具有所有这些特性。例如，金属箔是具有EMI屏蔽性质的常见材料之一，但不柔韧并且有时重量也不轻。为了尝试解决基于金属的EMI屏蔽材料中的问题，还研究了嵌入有用于EMI屏蔽的导电填料的聚合基体复合材料，如银纳米线
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PI杂化物、MXene
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聚合物复合材料、石墨烯
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聚合物纳米复合材料和PP
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不锈钢纤维复合材料。然而，在大多数这些复合材料中，需要高含量的导电填料，这由于在形成期间填料聚集的可能性引起较差的机械和加工性质，或者可以使用较低含量的导电填料，但其导电性受到严重影响。而且，大多数含有基于聚合物的导电填料的复合材料的常见问题包含热导率低、耐热性差、耐候性差、厚度厚等。
[0003]另一种近年来备受关注的EMI屏蔽材料是多孔泡沫结构，如多孔多壁碳纳米管(CNT)水性聚氨酯复合材料泡沫。然而，在不牺牲厚度小的情况下制作屏蔽有效的复合材料是一大挑战，尤其是当复合材料用于柔性的、相对大表面积的装置时。
[0004]因此，需要一种通过以下方法形成的复合材料，其中聚合物基体具有受控的形态和热传递方向，同时其如小厚度、机械性质、柔韧性和电导率等性质不会由于将各向异性的热传递材料掺入到新复合材料的聚合物基体中而牺牲。

技术实现思路

[0005]因此，在本专利技术的第一方面，提供了一种各向异性的导电且导热、电磁干扰(EMI)屏蔽复合材料，其包含：多条对齐的聚合物纳米纤维，所述多条对齐的聚合物纳米纤维用于形成聚合物毡或支架，所述聚合物毡或支架具有由所述聚合物纳米纤维构成的第一朝向平面和第二朝向平面，并且由所述聚合物纳米纤维构成的所述第一朝向平面的热导率与所述第二平面的热导率基本上相同或类似，并且由所述聚合物纳米纤维构成的所述第一朝向平面或所述第二朝向平面的热导率是由所述聚合物纳米纤维构成的第三朝向平面的热导率的至少2倍，所述第三朝向平面与由所述聚合物纳米纤维构成的所述第一朝向平面和所述第二朝向平面分别成约90度，同时，所述第一朝向平面和所述第二朝向平面中的每个朝向
平面的电阻比由所述聚合物纳米纤维构成的第三朝向平面的电阻小至少3个数量级。本专利技术的示例性实施例中的聚合物纳米纤维中的每个聚合物纳米纤维掺入有与聚合物一起静电纺丝的多种导热填料和多种第一金属化合物，所述多条经静电纺丝的聚合物纳米纤维具有由包封在聚合物纳米纤维中的导热填料和第一金属化合物的芯。经静电纺丝的聚合物纳米纤维中的每个聚合物纳米纤维进一步在聚合物纳米纤维上沉积有多种第二金属化合物，以便形成对齐的聚合物纳米纤维和聚合物毡或支架。已从对齐的聚合物纳米纤维形成的复合材料沿由聚合物纳米纤维构成的第一朝向平面或第二朝向平面的整体热导率为至少约110W/mK，但沿由聚合物纳米纤维构成的与由聚合物纳米纤维构成的第一朝向平面和第二朝向平面分别成约90度的第三朝向平面的热导率基本上为零。本专利技术的复合材料还具有与第一金属化合物或第二金属化合物的对应纯金属片材的抵抗100MHz到1.5GHz的较低密度或1.5GHz到10.0GHz的较高密度的电磁波的EMI屏蔽有效性相当的EMI屏蔽有效性。由所述对齐的聚合物纳米纤维构成的所述第一朝向平面和所述第二朝向平面还具有基本上相同或类似的电导率和电阻，而所述第一朝向平面和所述第二朝向平面中的每个朝向平面的所述电阻比由所述聚合物纳米纤维构成的第三朝向平面小至少3个数量级。
[0006]在一个实施例中，所述导热填料和所述第一金属化合物共同地或独立地是以下中的一种或多种：碳纳米管、硝酸硼、氮化铝、陶瓷聚合物和金属纳米颗粒。
[0007]在一个实施例中，第一金属化合物包括以下中的一种或多种：银、铜、锡、锌、镉、铬、镍、铂和铅化合物。
[0008]在一个实施例中，第一金属化合物是硝酸银或硫酸铜(II)中的一者或两者并且还原为纳米颗粒。
[0009]在一个实施例中，所述第二金属化合物包括以下中的一种或多种：银、镍、铂和铜或其金属合金。
[0010]在一个实施例中，第二金属化合物是纳米颗粒中的硝酸银或硫酸铜(II)。
[0011]在一个实施例中，所述聚合物包括以下中的一种或多种：聚丙烯腈(PAN)、聚(偏二氟乙烯)(PVDF)、聚酰亚胺(PI)、聚(乳酸)(PLA)、羧甲基纤维素(CMC)和聚(乙烯基吡咯烷酮)(PVP)。
[0012]在一个实施例中，所述聚合物:所述导热填料:所述第一金属化合物的重量比为约50:1
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4:8
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32。
[0013]在一个实施例中，所述第一金属化合物:所述第二金属化合物的重量比为约1.8:1。
[0014]在一个实施例中，所述第二金属化合物是通过以下中的一种或多种沉积在所述经静电纺丝的聚合物纳米纤维上的：无电镀方法、电镀方法、如CVD、PVD、PE
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CVD、溅射和热蒸发器等物理或化学沉积方法。
[0015]对齐的聚合物纳米纤维的朝向可以通过在形成期间聚合物混合物的静电纺丝的方向来控制或调节。
[0016]在本专利技术的第二方面，提供了一种用于制备第一方面的复合材料的方法，其中所述方法包含：提供所述导热填料的溶液，所述提供包含将所述导热填料分散到溶剂中，持续第一时间段；
将所述聚合物在一定温度下溶解于所述导热填料的所述溶液中，持续第二时间段，以获得所述导热填料和所述聚合物的溶液；将所述第一金属化合物与所述导热填料与所述聚合物的所述溶液混合，持续第三时间段，以获得所述导热填料、所述聚合物和所述第一金属化合物的溶液；对所述导热填料、所述聚合物和所述第一金属化合物的所述溶液进行静电纺丝以产生多条对齐的经静电纺丝的聚合物纳米纤维；使所述对齐的经静电纺丝的聚合物纳米纤维干燥；使所述第一金属化合物还原以变为金属纳米颗粒；对所述对齐的经静电纺丝的聚合物纳米纤维进行压缩，以获得由对齐的经静电纺丝的聚合物纳米纤维构成的毡或支架；将所述第二金属化合物的溶液无电地沉积到所述对齐的经静电纺丝的聚合物纳米纤维中的每条对齐的经静电纺丝的聚合物纳米纤维上；以及对由所述对齐的经静电纺丝的聚合物纳米纤维构成的所述毡或支架进行烧结，以获得所述复合材料。
[0017]在一个实施例中，第一时间段为约2本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种各向异性的导电且导热的电磁干扰屏蔽复合材料，其包括：多条对齐的聚合物纳米纤维，所述多条对齐的聚合物纳米纤维用于形成聚合物毡或支架，所述聚合物毡或支架具有由所述聚合物纳米纤维构成的第一朝向平面和第二朝向平面，所述第一朝向平面和所述第二朝向平面的热导率为由所述聚合物纳米纤维构成的第三朝向平面的热导率的至少2倍，所述聚合物纳米纤维中的每条聚合物纳米纤维掺入有多种导热填料和多种第一金属化合物，所述多种导热填料和所述第一金属化合物与聚合物一起静电纺丝以形成多条经静电纺丝的聚合物纳米纤维，所述多条经静电纺丝的聚合物纳米纤维具有由所述聚合物纳米纤维中的所述导热填料和所述第一金属化合物构成的芯或聚合物基体并且在所述经静电纺丝的聚合物纳米纤维的表面上沉积有多种第二金属化合物以形成所述多条对齐的聚合物纳米纤维，所述复合材料沿由所述聚合物纳米纤维构成的所述第一朝向平面和所述第二朝向平面的所述热导率为至少约110W/mK，并且所述复合材料对100MHz到1.5GHz的较低频率或1.5GHz到30.0GHz的较高频率的电磁波的电磁干扰屏蔽有效性与所述第一金属化合物或所述第二金属化合物的对应纯金属的电磁干扰屏蔽有效性相当或略高于后者，并且由所述对齐的聚合物纳米纤维构成的所述第一朝向平面和所述第二朝向平面具有基本上相同或类似的电导率和电阻，所述第一朝向平面和所述第二朝向平面中的每个朝向平面的所述电阻比由所述聚合物纳米纤维构成的第三朝向平面的电阻小至少3个数量级。2.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述导热填料和所述第一金属化合物共同地或独立地是以下中的一种或多种：碳纳米管、氮化硼、氮化铝、陶瓷聚合物和金属纳米颗粒。3.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述第二金属化合物包括以下中的一种或多种：银、镍、铂和铜或其金属合金。4.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述聚合物包括以下中的一种或多种：聚丙烯腈(PAN)、聚(偏二氟乙烯)(PVDF)、聚酰亚胺(PI)、聚(乳酸)(PLA)、羧甲基纤维素(CMC)和聚(乙烯基吡咯烷酮)(PVP)。5.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述聚合物:所述导热填料:所述第一金属化合物的重量比为约50:1
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4:8
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32。6.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述第一金属化合物:所述第二金属化合物的重量比为约1.8:1。7.根据权利要求1所述的复合材料，其中所述第二金属化合物是通过以下中的一种或多种沉积在所述经静电纺丝的聚合物纳米纤维上的：无电极镀、化学气相沉积方法、物理气相沉积方法、等离子体增强化学气相沉积方法和热蒸发方法。8.一种用于制备根据权利要求1所述的复合材料的方法，所述方法包括：提供所述导热填料的溶液，所述提供包含将所述导热填料分散到溶剂中，持续第一时间段；将所述聚合物在一定温度下溶解于所述导热填料的所述溶液中，持续第二时间段，以获得所述导热填料和所述聚合物的溶液；将所述第一金属化合物与所述导热填料与所述聚合物的所述溶液混合，持续第三时间段，以获得所述导热填料、所...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭志豪，许美美，李嘉仪，刘晨敏，
申请(专利权)人：纳米及先进材料研发院有限公司，
类型：发明
国别省市：