一种氮化硅晶须增强碳化硅/聚合物复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氮化硅晶须增强碳化硅/聚合物复合材料及其制备方法，属于聚合物复合材料技术领域。该氮化硅晶须增强碳化硅/聚合物复合材料包括聚合物、固化剂、促进剂和导热填料；所述导热填料为三维氮化硅晶须增强碳化硅网络骨架。所述三维氮化硅晶须增强碳化硅网络骨架的制备包括以下步骤：将粘合剂溶解于溶剂中，再加入混合粉体和分散剂混合均匀得到悬浊液，接下来对悬浊液进行定向冷冻成型，并经冷冻干燥后得到三维含硅/碳化硅原料粉体骨架，最后在含氮气氛下烧结后得到三维氮化硅晶须增强碳化硅网络骨架；所述混合粉体为提纯光伏晶硅切割废砂浆和烧结助剂。本发明专利技术的氮化硅晶须增强碳化硅/聚合物复合材料具有热导率高和抗弯强度好等优点。和抗弯强度好等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种氮化硅晶须增强碳化硅/聚合物复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及聚合物复合材料
，具体涉及一种氮化硅晶须增强碳化硅/聚合物复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]聚合物由于其易于加工、重量轻、成本低等优异性能，已被广泛用于电子设备和集成电路封装中。近年来，随着电子设备性能的提升以及电子元器件的集成和尺寸的小型化，在其运行过程中产生的热量越来越多。然而，聚合物的低热导率会导致电子元器件的热量集中，不仅损害了元器件的性能，降低了元器件的使用寿命，而且严重威胁人身及财产安全，这样就限制了聚合物在高功率电子设备热管理方面的应用。因此，开发高效热管理材料有着巨大的市场需求，而加入无机导热填料的聚合物复合材料是解决电子设备高效散热问题的一种有效方法。
[0003]典型的聚合物无机导热填料包括金属材料(如银、铜等)、碳基材料(如石墨、碳黑、石墨烯、碳纳米管等)，以及陶瓷材料(如氧化铝、氧化铍、碳化硅、氮化硅、氮化铝等)。由于很多情况下不仅需要导热聚合物复合材料具有良好的散热性，而且还要具有良好的绝缘性，因而这就限制了导电金属和碳基材料作为导热填料在聚合物复合材料中的应用。因而，同时具有绝缘性好和优异导热性能的陶瓷材料是导热绝缘填料中的优选填料。
[0004]不过，目前以高导热陶瓷填料制备聚合物复合材料的研究中，所用陶瓷填料的成本较高，而且陶瓷填料大多随机分布在聚合物基体中，这导致制备的导热陶瓷/聚合物复合材料的成本较高，导热率也较低。因而，如何降低陶瓷填料成本，构建定向导热通道，在较低陶瓷填料体积或重量分数条件下制备出具有优良导热和力学性能的陶瓷/聚合物复合材料对于高性能热管理材料的开发具有重要的意义。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种氮化硅晶须增强碳化硅/聚合物复合材料及其制备方法，本专利技术的氮化硅晶须增强碳化硅/聚合物复合材料具有优良的热导率。
[0006]本专利技术的目的通过以下技术方案实现。
[0007]一种氮化硅晶须增强碳化硅/聚合物复合材料，包括聚合物、固化剂、促进剂和导热填料；所述导热填料为三维氮化硅晶须增强碳化硅网络骨架。
[0008]优选的，所述三维氮化硅晶须增强碳化硅网络骨架中分布有竖直定向排列的柱状孔。
[0009]优选的，所述三维氮化硅晶须增强碳化硅网络骨架的制备包括以下步骤：
[0010]将粘合剂溶解于溶剂中，再加入混合粉体和分散剂混合均匀得到悬浊液，接下来对悬浊液进行定向冷冻成型，并经冷冻干燥后得到三维含硅/碳化硅原料粉体骨架，最后在含氮气氛下烧结后得到三维氮化硅晶须增强碳化硅网络骨架；所述混合粉体为提纯光伏晶
硅废砂浆和烧结助剂。
[0011]优选的，所述提纯光伏晶硅废砂浆分别含质量分数为50～80％的碳化硅和质量分数为20～50％的硅；所述提纯光伏晶硅废砂浆的粒度小于200目。
[0012]所述混合粉体在溶剂中的质量分数为20～50％，进一步优选为30％、35％、40％、45％或50％。
[0013]所述混合粉体中烧结助剂为光伏晶硅废砂浆质量的2～12％，进一步优选为4％、6％、8％；
[0014]所述粘合剂为混合粉体质量的1～10％，进一步优选为2％、4％、6％。
[0015]所述分散剂为混合粉体质量的0.5～5％，进一步优选为1％、2％或3％。
[0016]所述粘合剂选自聚乙烯醇和羧甲基纤维素钠中的至少一种，进一步优选为聚乙烯醇；所述溶剂选自水、叔丁醇和莰烯中的至少一种，进一步优选为去离子水；所述烧结助剂助剂选自氧化钇、氟化钙、氧化镁、氟化钇中的至少一种，进一步优选为氧化钇、氟化钙、氧化镁的至少一种；所述分散剂选自羧甲基纤维素钠、柠檬酸、聚丙烯酸铵和聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种。
[0017]所述冷冻成型的温度为
‑
50～
‑
120℃，进一步优选为
‑
50℃、
‑
80℃、
‑
110℃，时间为2～10min，进一步优选为5min、10min；所述冷冻干燥的温度为
‑
30～
‑
80℃，真空度小于100Pa，时间为10～36h，进一步优选冷冻干燥温度为
‑
50℃，真空度为20Pa，时间为24h、36h。
[0018]所述烧结的含氮气氛为氮气和氨气中的一种，进一步优选为氮气；所述烧结的方式为真空烧结、放电等离子烧结或微波烧结的一种；所述烧结是先进行预烧结然后进行烧结；所述预烧结的温度为500～800℃，烧结时间为5～120min，烧结的温度为1100～1500℃，烧结的时间为5～180min；进一步优选的，预烧结的温度为600℃、800℃，烧结时间为5min或120min；烧结的温度为1400℃、1500℃，烧结的时间为10min、120min或180min。
[0019]优选的，所述聚合物为环氧树脂和酚醛树脂中的至少一种；所述固化剂为4
‑
甲基六氢苯酐和甲基四氢苯酐中的一种；所述促进剂为1
‑
(对甲基苯磺酰)咪唑和2，4，6
‑
三(二甲胺基甲基)苯酚中的一种；所述聚合物、固化剂及促进剂的质量比例为100:70～100:0.5～2。
[0020]优选的，以上所述的氮化硅晶须增强碳化硅/聚合物复合材料的制备包括以下步骤：
[0021]采用真空浸渗法，将三维氮化硅晶须增强碳化硅网络骨架浸入聚合物、固化剂、促进剂的混合溶液中，进行固化，得到氮化硅晶须增强碳化硅/聚合物复合材料；
[0022]所述真空浸渗的时间为1～3h，真空度小于10
‑1Pa，温度为40～60℃，进一步优选真空浸渗的时间为2h，温度为40℃、60℃；
[0023]所述固化是先在70～90℃下预固化1～3h，再在110～130℃下固化1～3h，进一步优选预固化温度为90℃，时间为2～3h，固化温度为120℃，时间为2～3h。
[0024]与现有技术相比，本专利技术具有如下优点及有益效果：
[0025](1)本专利技术以提纯晶硅切割废砂浆中的硅粉为硅源，通过原位化学反应制备氮化硅陶瓷晶须，因而构建三维氮化硅晶须增强碳化硅网络框架前不需要预先制备或购买氮化硅晶须，而且提纯晶硅切割废砂浆也提供了所需的碳化硅，因而在大幅降低原料硅源成本的同时，也简化了从氮化硅晶须合成到氮化硅晶须增强碳化硅/聚合物复合材料制备的整
个复杂制备工艺流程。
[0026](2)本专利技术通过冰模板法构建氮化硅晶须增强碳化硅复合陶瓷形成的竖直定向导热通道，且导热通道中原位生成的氮化硅晶须更容易形成导热路径，这些均有利于声子传热，从而有助于提升氮化硅晶须增强碳化硅/聚合物复合材料的导热性能。同时，复合陶瓷中氮化硅晶须的生成也有助于提高氮化硅晶须增强碳化硅/聚合物复合材料的力学性能。
附图说明
[0027]图1为本专利技术实施例1制备的三维本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮化硅晶须增强碳化硅/聚合物复合材料，其特征在于，包括聚合物、固化剂、促进剂和导热填料；所述导热填料为三维氮化硅晶须增强碳化硅网络骨架。2.根据权利要求1所述的一种氮化硅晶须增强碳化硅/聚合物复合材料，其特征在于，所述三维氮化硅晶须增强碳化硅网络骨架的制备包括以下步骤：将粘合剂溶解于溶剂中，再加入混合粉体和分散剂混合均匀得到悬浊液，接下来对悬浊液进行定向冷冻成型，并经冷冻干燥后得到三维含硅/碳化硅原料粉体骨架，最后在含氮气氛下烧结后得到三维氮化硅晶须增强碳化硅网络骨架；所述混合粉体为提纯光伏晶硅废砂浆和烧结助剂。3.根据权利要求2所述的一种氮化硅晶须增强碳化硅/聚合物复合材料，其特征在于，所述提纯光伏晶硅废砂浆分别含质量分数为50～80％的碳化硅和质量分数为20～50％的硅；所述提纯光伏晶硅废砂浆的粒度小于200目。4.根据权利要求2所述的一种氮化硅晶须增强碳化硅/聚合物复合材料，其特征在于，所述混合粉体在溶剂中的质量分数为20～50％；所述混合粉体中烧结助剂为光伏晶硅废砂浆质量的2～12％。5.根据权利要求2所述的一种氮化硅晶须增强碳化硅/聚合物复合材料，其特征在于，所述粘合剂为混合粉体质量的1～10％；所述分散剂为混合粉体质量的0.5～5％。6.根据权利要求1
‑
5任一项所述的一种氮化硅晶须增强碳化硅/聚合物复合材料，其特征在于，所述粘合剂选自聚乙烯醇和羧甲基纤维素钠中的至少一种；所述溶剂选自水、叔丁醇和莰烯中的至少一种；所述烧结助剂选自氧化钇、氟化钙、氧化镁、氟化钇中的至少一种；所述分散剂选自羧甲基纤维素钠、柠檬酸、聚丙烯酸铵和聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种。7.根据权利要求1
‑
5任一项所述的一种氮化硅晶须增强碳化硅/聚合物复合材料，其特征在于，所述冷...

【专利技术属性】
技术研发人员：向道平，姚健，
申请(专利权)人：海南大学，
类型：发明
国别省市：