有色金属材料与工程  2025, Vol. 46 Issue (1): 67-74    DOI: 10.13258/j.cnki.nmme.20240318001   PDF    
h-BN对超低介电损耗COC/h-BN复合材料导热性能、介电性能的影响
钱康乐1,2, 彭海益2, 何代华1, 姚晓刚2, 林慧兴2    
1. 上海理工大学 材料与化学学院,上海 200093;
2. 中国科学院 上海硅酸盐研究所,上海 201899
摘要:采用双螺杆造粒和热压成型技术制备了含不同体积分数(10%~30%)和不同粒径(10、25 μm)六方氮化硼(hexagonal boron nitride,h-BN)的环烯烃类共聚物(cycloolefin copolymer,COC)/h-BN(COC/h-BN)高导热微波复合材料。通过扫描电子显微镜、矢量网络分析仪和热膨胀仪研究了其微观结构、微波介电性能和热性能。结果显示,相比COC/h-BN-10复合材料,COC/h-BN-25复合材料具有更高的密度和更好的导热性能。在h-BN体积分数达到30%时,COC/h-BN-25复合材料在X/Y方向的导热系数达到0.766 W/(m·K),Z方向的为1.204 W/(m·K),同时介电损耗低。
关键词粒径    六方氮化硼    导热性能    介电性能    环烯烃类共聚物    
Effect of h-BN on the thermal conductivity and dielectric properties of ultra-low dielectric loss COC/h-BN composites
QIAN Kangle1,2, PENG Haiyi2, HE Daihua1, YAO XiaoGang2, LIN huixing2    
1. School of Materials and Chemistry, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;
2. Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201899, China
Abstract: The microwave composites with high thermal conductivity of cycloolefin copolymer (COC)/hexagonal boron nitride (h-BN) (COC/h-BN) with different volume fractions (10%-30%) and different particle sizes (10, 25 μm) h-BN were prepared by using twin-screw granulation and hot pressing technology. The microstructure, microwave dielectric properties and thermal properties of the composites were studied by scanning electron microscopy, vector network analyzer and thermal dilatometer. The results show that the COC/h-BN-25 composite has higher density and thermal conductivity than that of the COC/h-BN-10 composite. When the volume fraction of h-BN is 30%, the thermal conductivities of the COC/h-BN-25 composite reaches 0.766 W/(m·K) in the X/Y direction and 1.204 W/(m·K) in Z direction, with low dielectric loss.
Key words: particle size    hexagonal boron nitride    thermal conductivity    dielectric property    cycloolefin copolymer    

聚合物因具有易加工性、良好的绝缘性和卓越的力学性能等特点,在电子封装领域得到了广泛应用。陶瓷填充的聚合物基复合材料,结合了聚合物的优异机械柔韧性和陶瓷的卓越介电特性,在电子封装材料、5G移动通信、大容量卫星和可穿戴电子器件等领域展现出广阔的应用前景[1-4]。基于微波理论,采用低介电常数复合材料能减少电子信号传输延迟现象。同时,维持复合材料的低介电损耗对于确保电子器件的高信噪比至关重要[5-6]。随着电子器件向高能量密度和信号能同步的方向发展,对高导热系数聚合物基复合材料的需求也日益增长。与此同时,为了延长器件的使用寿命,其抗弯和抗压强度不容忽视。因此,对兼具高导热性能、低介电常数、低介电损耗、高可靠性的高导热系数聚合物基复合材料的研究具有重要意义。

因聚合物本身的导热系数较低,故在制备高导热复合材料时,通常需要在聚合物中加入高导热填料以提高其导热性能。目前,高导热填料主要包括MgO、Al2O3、碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs),六方氮化硼(hexagonal boron nitride,h-BN)等。Ota等[7]用氨基硅烷偶联剂将环氧树脂(epoxy resin,EP)吸附在MgO填料表面,并将EP/MgO分散到液晶EP中,制备了高导热复合材料,分析得出,在MgO体积分数为44%~45%时,所制备的复合材料的导热系数(3.160 W·m−1·K−1)明显高于未掺杂MgO体系的导热系数(1.930 W·m−1·K−1)。陈淑梅等[8]通过熔盐法制备Al2O3纳米片,然后采用浇注法制备Al2O3/EP复合材料,得出掺杂Al2O3纳米片可以显著提高EP的导热性能,当Al2O3的质量分数达70%时,复合材料的导热系数比纯EP的提高了4.56倍。Tan等[9]通过混合添加改性SiO2和多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotubes,MWCNTs),改善了氟硅橡胶基复合材料的导热性能,但介电损耗高达0.6760。以上研究结果表明:MgO和Al2O3的导热系数偏低,对复合材料导热系数的提高有限;CNTs本身属于导电材料,掺杂CNTs会导致所制备的复合材料的介电损耗大幅度增加。相比之下,h-BN具有高导热和高绝缘性,导热系数达到730.000 W/(m·K),是理想的导热填料。Pan等[10]将硅烷偶联剂KH550改性h-BN片填料,然后采用冷压烧结法将改性后的填料引入聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene,PTFE)基体中获得h-BN-KH550/PTFE复合材料。研究结果表明,当填料体积分数为30%时,h-BN-KH550/PTFE复合材料导热系数为0.722 W/(m·K),是纯PTFE的2.7倍。

复合材料的力学性能主要由树脂基体决定,因此,合理选择树脂基体是获得具有优异综合性能的复合材料的关键。目前常用的树脂基体包括EP、PTFE、聚苯醚[poly(2,6-dimethyl-1,4-phenylene)oxide,PPO]、聚苯乙烯(polystyrene,PS)和聚酰亚胺(polyimide,PI)等。Jia等[11]采用水热法制备了具有微球结构的S掺杂TiO2超细粉体(strontium-doped titanium dioxide,S-TiO2),然后以S-TiO2为填料与EP共混制备了S-TiO2/EP复合材料。研究表明:当S-TiO2质量分数为4.0%时,S-TiO2/EP复合材料的导热系数达到最大,为0.198 W/(m·K),比纯EP树脂的提高了16.2%;但其介电损耗为0.040 0,依旧处于高介电损耗的范畴。同时以PPO[12]、PS[13]和PI[14]制备的导热聚合物的高频损耗也较高。Feng等[15]采用脉冲振动成型(pulse vibratory molding,PVM)法制备了h-BN/SiC/PTFE复合材料,当h-BN与SiC的体积比为3∶1、h-BN/SiC填料体积分数为40%时,h-BN/SiC/PTFE保持了3.27的低介电常数和0.0058的低介电损耗。而PTFE虽具有极低的介电损耗,但以其为基体的复合材料的力学性能较差。环烯烃类共聚物(cycloolefin copolymer,COC)[16-17]作为一种高性能工程塑料,其抗弯强度达到75 MPa,介电常数为2.35,介电损耗低至0.000 5,是制备微波复合材料的理想树脂基体。

综上,本文选择COC作为聚合物基体,h-BN作为填料,制备含h-BN不同粒径和不同填充比例的COC/h-BN复合材料,研究其导热系数、介电性能、力学性能等重要参数。旨在探索兼具导热、介电以及力学综合性能的复合材料的制备方法。

1 实 验 1.1 实验材料与仪器

实验采用COC粒子和h-BN粉(h-BN的平均粒径分别为10 μm及25 μm,分别标记为h-BN-10和h-BN-25)作为原料。实验过程中使用了多种仪器,包括TM3030扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、PH-010(A)真空干燥箱、LFA-467激光导热仪、DIL 402C热膨胀仪、BS224S分析天平、KeysightE5071C网络分析仪、WDW-10材料万能试验机。

1.2 制备

分别取两种粒径的h-BN与COC进行混合,h-BN的体积分数为10%、15%、20%、25%、30%。随后将COC/h-BN粉料在双螺杆挤出机中加热至220 ℃,通过高温熔融混合后,水浴冷却成型。将成型后的原料条切割成均匀的COC/h-BN粒子,在100 ℃的烘箱中烘8 h,以获得干燥的COC/h-BN复合粒子。最后采用高温热压法[18]获得COC/h-BN复合材料。

1.3 表征方法

采用阿基米德排水法测定COC/h-BN复合材料的体积密度;使用SEM对COC/h-BN复合材料的微观结构进行研究;通过矢量网络分析仪和分离式介电谐振器(split post dielectric resonator,SPDR)测定COC/h-BN复合材料在频率为10 GHz时的介电性能[19-20];材料的热膨胀系数使用热膨胀仪进行测试,升温速率为5 ℃/min,温度范围为30 ~ 150 ℃;吸水率按照IPC-TM-650 2.6.2标准进行测定;使用万能材料试验机对复合材料的抗弯强度进行测试。

2 结果与讨论 2.1 端面微观形貌

COC/h-BN复合材料端面的SEM图如图1所示。从图1可知,h-BN在COC基体中分散良好,显微形貌结构致密,没有明显气孔。由于h-BN粉具有片层结构,在热压过程中,该片层结构受压力影响可实现沿垂直于压力方向的定向排布[21-26]。对含相同体积分数的COC/h-BN-10和COC/h-BN-25的SEM图进行比较可知,h-BN的粒径越大,获得的复合材料的片也越大。

图 1 含不同体积分数h-BN-10和h-BN-25的COC/h-BN复合材料截面的SEM图 Fig. 1 SEM images of cross sections of the COC/h-BN composites with different volume fractions of h-BN-10 and h-BN-25
2.2 密 度

理论密度根据混合规则[19]计算得出。

$ \qquad\rho_{\text{theo }}=\left(1-V_{_{\mathrm{f}}}\right)\rho_{_{\mathrm{m}}}+V_{_{\mathrm{f}}}\cdot\rho_{_{\mathrm{f}}} $ (1)

式中:ρtheo为COC/h-BN的理论密度;Vf为h-BN的体积分数;ρmρf分别为COC基体和h-BN的密度。

图2是COC/h-BN复合材料在h-BN不同体积分数(10%~30%)下的实验密度与理论密度。由图2可知,随着h-BN体积分数的增加,理论密度和实验密度均呈稳步增加趋势。这主要是由于h-BN的密度(2.21 g/cm³)高于COC的(1.02 g/cm³)。当h-BN体积分数超过10%后,COC/h-BN-25复合材料的实验密度开始大于COC/h-BN-10复合材料的,且更接近理论密度。这是由于小粒径h-BN的比表面积更大,因此复合材料中存在更多的两相界面,而界面上存在气孔等缺陷,会在一定程度上降低复合材料的致密性,导致具有更多界面的COC/h-BN-10复合材料的致密度降低。当h-BN体积分数达到30%时,COC/h-BN-25及COC/h-BN-10两种复合材料的实测密度仅在1.33 g/cm3左右,这对器件的轻量化有积极意义。

图 2 含不同体积分数h-BN-10和h-BN-25的COC/h-BN复合材料的密度 Fig. 2 Densities of the COC/h-BN composites with different volume fractions of h-BN-10 and h-BN-25
2.3 热膨胀系数

理论热膨胀系数 (αtheo[27]由下式计算:

$ \qquad\alpha_{\text{theo }}=\left(1-V_{_{\mathrm{f}}}\right)\alpha_{_{\mathrm{m}}}+V_{_{\mathrm{f}}}\cdot\alpha_{_{\mathrm{f}}} $ (2)

式中:αtheo为COC/h-BN的理论热膨胀系数;αmαf分别为COC基体和h-BN的热膨胀系数。图3是COC/h-BN复合材料的实测与理论热膨胀系数。由于h-BN的热膨胀系数 (3.00×10−6/K)远小于COC的热膨胀系数 (70.00×10−6/K),所以COC/h-BN复合材料的热膨胀系数均随着h-BN体积分数的增加而降低。由图3可知,h-BN-25和h-BN-10复合材料热膨胀系数的实验值均低于理论值。这是由于对复合材料理论热膨胀系数的计算仅考虑了h-BN和COC的本征热膨胀系数的影响,实际上COC/h-BN复合材料的热膨胀系数还受到致密度和界面的影响。首先根据前面COC/h-BN复合材料密度的分析结果得知,其中存在气孔,而气体弹性模量较低,会导致热膨胀系数的实验值低于理论值;并且COC/h-BN-10复合材料的气孔率更高,因此其热膨胀系数更低。其次,两相界面的存在也是影响热膨胀系数的重要原因。两相界面会抑制高分子链从蜷曲态向拉伸态的转变,因此界面数量增加会导致热膨胀系数降低。与此同时,小粒径粉体具有更大的比表面积,在相同填充比例下对高分子链热膨胀的抑制作用更加明显,因而COC/h-BN-10复合材料的热膨胀系数更低。当h-BN体积分数达到30%时,COC/h-BN-10和COC/h-BN-25复合材料的热膨胀系数分别降至17.73×10−6/K和20.15×10−6/K。

图 3 含不同体积分数h-BN-10和h-BN-25的COC/h-BN复合材料的热膨胀系数 Fig. 3 Thermal expansion coefficients of thex COC/h-BN composites with different volume fractions of h-BN-10 and h-BN-25
2.4 介电损耗

图4显示了COC/h-BN复合材料的介电损耗随h-BN-10和h-BN-25体积分数变化的情况。图4表明,COC/h-BN复合材料整体介电损耗非常低。这是由于复合材料的介电损耗主要由两相本征介电损耗及两相界面损耗共同决定。一方面COC和h-BN的本征介电损耗极低,均在3.5×10−4左右;另一方面,根据显微形貌以及密度的测试结果可知,COC/h-BN复合材料的两相界面结合良好,因此界面不存在明显的气孔,且界面介电损耗也极低。这两点的共同作用使COC/h-BN复合材料的介电损耗偏低,且几乎不随h-BN体积分数的变化而改变。

图 4 含不同体积分数h-BN-10和h-BN-25的COC/h-BN复合材料的介电损耗 Fig. 4 Dielectric losses of the COC/h-BN composites with different volume fractions of h-BN-10 and h-BN-25
2.5 介电常数

图5为COC/h-BN复合材料的介电常数。随着h-BN体积分数的增加,COC/h-BN复合材料的介电常数呈上升趋势。这主要是由于h-BN的本征介电常数要高于COC的。COC/h-BN-25及COC/h-BN-10复合材料的介电常数基本相同。这主要是由于复合材料的介电常数通常取决于聚合物基体及填料本身的介电常数以及界面相和气孔率的影响。所制备的COC/h-BN复合材料相对致密,无明显气孔,因此气孔及界面对COC/h-BN复合材料的介电常数影响很小,从而在相同体积分数下,h-BN粒径对COC/h-BN介电常数的影响较小。由于COC/h-BN-25和COC/h-BN-10复合材料的介电常数相差不大,故选取COC/h-BN-25复合材料作为参照组进行理论计算。

图 5 含不同体积分数h-BN-10和h-BN-25的COC/h-BN复合材料的介电常数 Fig. 5 Dielectric constants of the COC/h-BN composites with different volume fractions of h-BN-10 and h-BN-25

由于聚合物基体和陶瓷填料的介电常数、孔隙、粒径和形貌等的影响,复合材料介电常数的预测变得困难[25]。因此,本文采用了几种理论模型进行对比。

麦克斯韦−瓦格纳公式(Maxwell-Wagner,M-W) [28]

$ \qquad\varepsilon_{\text{theo }}=\varepsilon_{\mathrm{m}}\frac{2\varepsilon_{\mathrm{m}}+\varepsilon_{\mathrm{f}}+2V_{\mathrm{f}}(\varepsilon\mathrm{_f}-\varepsilon_{\mathrm{m}})}{2\varepsilon_{\mathrm{m}}+\varepsilon_{\mathrm{f}}-V_{\mathrm{f}}(\varepsilon\mathrm{_f}-\varepsilon_{\mathrm{m}})} $ (3)

Lichtenecker公式[29]

$ \mathrm{\qquad lg}\varepsilon_{\text{theo }}=V_{\mathrm{f}}\cdot\mathrm{lg}\varepsilon_{\mathrm{f}}+\left(1-V_{\mathrm{f}}\right)\mathrm{lg}\varepsilon_{\mathrm{m}} $ (4)

修正的Lichtenecker(modified-Lichtenecker,M-Lichtenecker)公式[30]

$ \mathrm{\qquad lg}\varepsilon_{\text{theo }}=\mathrm{lg}\varepsilon_{\mathrm{m}}+V\mathrm{_f}(1-n)\mathrm{lg}\frac{\varepsilon_{\mathrm{m}}}{\varepsilon_{\mathrm{f}}} $ (5)

式中:εtheo为COC/h-BN的理论介电常数;εmεf分别为COC基体和h-BN填料的介电常数。式(3)~(5)计算结果如图6所示。图6表明,用M-W公式计算的理论介电常数远小于实验值。实际上,只有当复合材料的两相具有相似的性能时,M-W才成立[26]

图 6 含不同体积分数h-BN-25的COC/h-BN复合材料的介电常数对比 Fig. 6 Variation of dielectric constants of the COC/h-BN composites with different volume fractions of h-BN-25

与M-W公式计算结果相似,Lichtenecker公式的计算结果小于实验值。原因是界面极化会显著影响复合材料的介电常数,Lichtenecker公式只考虑了聚合物基体和陶瓷填料的介电常数,导致理论值和实验值存在偏差。为了提高Lichtenecker公式的计算精度,采用M-Lichtenecker公式来预测复合材料的介电常数。与Lichtenecke相比,M-Lichtenecker公式包含了一个拟合因子n,表示陶瓷填料与聚合物基体之间的相互作用。Rao等[31]的研究表明,n通常为0.3左右。而n对聚合物基体和陶瓷填料都很敏感,这意味着不同体系的复合材料具有不同的n[32]。在本体系中,当n=2.761 3时,取得最佳拟合结果,此时的标准差为0.024 8。该计算结果与实验结果吻合较好,可应用于该体系介电常数的理论计算,减少重复的实验迭代过程。

2.6 导热系数

图7为COC/h-BN复合材料的导热系数。随着h-BN体积分数的增加,X/Y方向上(垂直于热压方向)的导热系数随之增加,Z方向(平行于热压方向)的导热系数也符合这一规律。这是因为h-BN具有超高的导热系数,COC本身的导热系数较低,因此含高体积分数h-BN的COC/h-B的复合材料的导热系数更大。由图7可知,Z方向的导热系数更高。这是由于热压使h-BN沿Z方向上发生了明显的取向排列。h-BN为典型的层状结构,层内为B―N共价键,层间为分子键,这使得h-BN层内导热系数远高于层间的。当h-BN沿Z方向上定向排列时,大幅度增加了该方向上的导热系数。同时,h-BN-25复合材料在ZX/Y方向的导热系数大部分均高于h-BN-10复合材料的,这是因为两原材料的晶体结构不同,界面上必然存在晶格不匹配,当声子的传递经过界面时会发生散射,导致其导热系数降低。相较于大粒径h-BN,小粒径的比表面积更高。这导致小粒径填料与基体材料之间的接触面积更大,从而促使形成更多的两相界面。导致声子色散更加严重,从而降低导热系数。同时,COC/h-BN-25复合材料具有更高的致密度,大幅度减少了气孔对热量传递的阻力,这一因素同样解释了含大粒径填料的复合材料具有更高的导热系数。当h-BN-25体积分数达到30%时,COC/h-BN-25复合导热系数最高,沿ZX/Y方向上的导热系数分别为1.204 W/(m·K)和0.766 W/(m·K)。

图 7 含不同体积分数h-BN-10和h-BN-25的COC/h-BN复合材料的导热系数 Fig. 7 Thermal conductivity of the COC/h-BN composites with different volume fractions of h-BN-10 and h-BN-25
2.7 抗弯强度

图8为COC/h-BN复合材料的抗弯强度。由图8可知,随着h-BN体积分数的增加,COC/h-BN复合材料的抗弯强度下降。COC/h-BN-10复合材料的致密度较低,导致该复合材料的力学强度普遍低于COC/h-BN-25复合材料的。当h-BN体积分数达到30%时,COC/h-BN-10及COC/h-BN-25复合材料的抗弯强度分别达到了43.5 MPa和52.0 MPa。

图 8 含不同体积分数h-BN-10和h-BN-25的COC/h-BN复合材料的抗弯强度 Fig. 8 Bending strengths of the COC/h-BN composites with different volume fractions of h-BN-10 and h-BN-25
3 结 论

(1)SEM结果表明,较大尺寸的粉体有利于获得致密结构的复合材料,因为大粒径粉体具有较低的表面能,削弱了颗粒团聚效应。

(2)COC/h-BN-25复合材料具有更紧凑的结构、更高的导热系数。当含h-BN-25体积分数30%时,其Z方向的导热系数达到1.204 W/(m·K)。

(3)COC/h-BN-25复合材料具有更高的介电常数。当h-BN-25复合材料体积分数为30%时,COC/h-BN-25的介电常数约为 3.07,并没有因为h-BN-25的添加导致介电性能急剧恶化。

(4)COC/h-BN-25复合材料的抗弯强度整体优于COC/h-BN-10复合材料的,当h-BN-25复合材料体积分数为30%时,COC/h-BN-25复合材料的抗弯强度为52 .0 MPa。

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