绝缘材料

原料	样品
EP	58	38	35	32	29	26
固化剂	42	27	25	23	21	19
i-Al₂O₃	0	35	40	45	50	55

原料	样品
EP	58	38	35	32	29	26
固化剂	42	27	25	23	21	19
i-Al₂O₃	0	35	40	45	50	55

无规氧化铝/环氧复合材料导热绝缘性能的研究

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吴银财 ¹^,²

绝缘材料 | 材料研究 2023,56(6): 18-22

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绝缘材料 | 材料研究 2023, 56(6): 18-22

无规氧化铝/环氧复合材料导热绝缘性能的研究

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吴银财¹^,²

作者信息

¹厦门稀土材料研究所，福建厦门 361028

²湖南工业大学，湖南株洲 412007

吴银财（1987-），男（汉族），福建漳州人，工程师，主要从事功能高分子复合材料的研究。

Research of thermal conductivity and insulating properties of irregular alumina/epoxy composites

Yincai WU¹^,²

Affiliations

¹Xiamen Institute of Rare Earth Materials, Xiamen 361028, China

²Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007, China

出版时间: 2023-06-20 doi: 10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2023.06.003

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摘要

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环氧树脂作为电子器件、电机绝缘封装的主要材料，迫切需要提高其导热性能，以满足更苛刻的使用需求。通过采用无规形貌氧化铝（i-Al₂O₃）填充共混改性环氧树脂，研究不同体积分数i-Al₂O₃对环氧树脂导热系数及其他性能的影响。结果表明：随着i-Al₂O₃体积分数的增加，环氧共混物的黏度逐渐增加，拉伸强度先上升后下降，热稳定性逐渐提高，导热性能逐渐增强。当i-Al₂O₃的体积分数为45%时，环氧复合材料的综合性能良好，其导热系数达到了1.44 W/(m·K)，较纯环氧树脂的0.21 W/(m·K)提高了585.7%，并且体积电阻率保持在10¹⁴ Ω·cm。

关键词

环氧树脂 / 氧化铝 / 导热系数 / 体积电阻 / 绝缘封装

Abstract

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Epoxy resin is used as the main material for insulated packaging of electronic device and motors, it is urgent to improve its thermal conductivity to meet more demanding use requirements. In this research, epoxy resin was modified by filling irregular alumina (i-Al₂O₃), and the effects of irregular i-Al₂O₃ with different volume fraction on the thermal conductivity and other properties of EP were studied. The results show that with the increase of the mass fraction of i-Al₂O₃, the viscosity of the composite mixing system gradually increases, the tensile strength increases at first and then decreases, the thermal stability and thermal conductivity gradually increase. When the volume fraction of i-Al₂O₃ is 45%, the epoxy composite material shows good the overall performance, its thermal conductivity coefficient reaches to 1.44 W/(m·K), which is 585.7% higher than that of pure epoxy resin with the thermal conductivity of 0.21 W/(m·K), at the same time, the volume resistance of the composite remains at the 10¹⁴ Ω·cm quantitative level.

Key words

epoxy resin / alumina / thermal conductivity / volume resistance / insulated packaging

引用本文

吴银财. 无规氧化铝/环氧复合材料导热绝缘性能的研究. 绝缘材料, 2023 , 56 (6) : 18 -22 . DOI: 10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2023.06.003

Yincai WU. Research of thermal conductivity and insulating properties of irregular alumina/epoxy composites[J]. Insulating Materials, 2023 , 56 (6) : 18 -22 . DOI: 10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2023.06.003

正文

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0 引言

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环氧树脂具有许多优良的特性，如附着力好、电绝缘性好、化学热稳定性好、吸水率低、易于加工等，是电子器件、电机绝缘封装的主要材料^[1-5]。随着电子器件、电机等向着小型化和高功率化方向发展，对绝缘封装材料的导热性能提出了更高的要求，而环氧树脂的导热系数低，已经远远满足不了实际应用需求。因此，通过有效实用的改性手段来提高环氧树脂的导热性能具有重要的研究意义。

改善环氧树脂导热性能最简单有效的方法是添加高导热填料。传统的高导热填料如氮化硼、石墨烯、碳纳米管、氧化锌晶须、氧化镁、氮化硅、碳化硅、氧化铝等都是改善环氧树脂导热性能的有效填料。侯君^[6]通过在环氧树脂中添加改性后的氮化硼，发现环氧复合材料的导热系数随着氮化硼含量的增加而增大，当氮化硼质量分数为30%时，复合材料的导热系数达到1.17 W/(m·K)，是纯环氧树脂的6.14倍。张晓星等^[7]采用纳米氮化硼来填充改善环氧树脂的导热性能，并研究了环氧复合材料的介电性能和电气绝缘性能，研究结果表明，纳米氮化硼能够有效改善环氧树脂的导热性能，当其体积分数为25%时，环氧复合材料的导热系数相对于纯环氧树脂提升了528%，随着纳米氮化硼体积分数的增加，环氧复合材料的相对介电常数和介质损耗因数均逐渐增大。张闯等^[8]通过微米和纳米氮化硼的组合来改性制备高导热环氧复合材料，结果表明纳米氮化硼颗粒的加入主要有助于提高环氧复合材料的工频电气强度，但会使环氧复合材料的导热系数下降。杨坤好等^[9]采用真空行星搅拌的方法将石墨烯纳米片分散到环氧树脂中，研究了石墨烯对环氧树脂导热性能和力学性能的影响，结果表明，环氧复合材料的导热系数随着石墨烯添加量的增加而增大，当石墨烯质量分数为6.94%时，环氧复合材料的导热系数达到了1.24 W/(m·K)。周二振等^[10]采用碳纳米管阵列与环氧树脂共混，保持碳纳米管阵列整齐排列，从而提高环氧复合材料沿轴方向的导热系数。周柳等^[11]采用氧化锌晶须来改善环氧树脂的导热绝缘性能，研究表明，当氧化锌晶须质量分数为10%时，环氧复合材料的导热性能相比纯环氧树脂提高了3倍。郭茹^[12]以环氧树脂为基体，以氧化镁作为主要导热填料，并采用纤维材料进行增强，制备了综合性能优异的高导热纤维增强环氧复合材料。吴逸涵等^[13]采用硅烷偶联剂KH-560改性的微米氮化硅/纳米碳化硅晶须Si₃N₄/SiC作为主要导热填料，制备了高导热Si₃N₄/SiC/环氧纳米复合材料，研究表明，环氧复合材料的导热系数和介电常数随Si₃N₄/SiC添加量的增加而增大，而力学性能则呈现先升高后降低的趋势。氧化铝具有较高的导热系数、优异的化学稳定性、优异的电绝缘性和极低的成本，被广泛用作环氧树脂的导热填料，但目前的研究主要是以球形氧化铝为对象，而对于机械法制得的无规形貌氧化铝鲜有研究^[14-17]。填料的粒径、形貌等对于构建导热通路具有不同的方案，因此也会对环氧复合材料的导热系数产生不同的影响。如微米氮化硼和纳米氮化硼对环氧树脂的导热性能具有不一样的影响^[6-8]。韦衍乐等^[18]采用氧化铝粉体作为填料制备了环氧复合材料，研究了粉体形貌和粒径对其导热系数的影响，结果表明，填料的不同形貌和粒径对环氧复合材料的导热系数具有不同的影响。

本研究以无规形貌氧化铝（i-Al₂O₃）作为主要填料来改善环氧树脂的导热性能，研究不同体积分数i-Al₂O₃对环氧树脂导热系数及其他性能的影响。

1 实验

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1.1 主要原材料

环氧树脂（EP，牌号为CY5832），固化剂（牌号为HY5832），亨斯迈化工贸易（上海）有限公司；无规形貌氧化铝（i-Al₂O₃），中值粒径D₅₀为12～21 μm，Al₂O₃质量分数≥99.5%，导热系数为39.00 W/(m·K)，中国铝业股份有限公司山东分公司；硅烷偶联剂，KH560，江苏晨光偶联剂有限公司。

1.2 设备与仪器

Nicolet iS 50型傅里叶变换红外光谱仪，Apreo S型扫描电镜，赛默飞世尔科技（中国）有限公司；NDJ-8S型旋转黏度计，上海昌吉地质仪有限公司；Instron 2365型材料拉伸实验机，ITW集团英斯特朗公司；Hot Disk TPS 2200型导热测试仪，瑞典Hot Disk AB公司；Mettler-Toledo TGA/DSC 1型差示扫描量热-热重联用仪，梅特勒-托利多国际贸易（上海）有限公司；ZC-36型兆欧表，上海精密仪器仪表有限公司。

1.3 环氧复合材料的制备

按表1配方准备EP、固化剂、i-Al₂O₃、KH560，其中KH560的添加量为i-Al₂O₃质量分数的2%，并按以下步骤制备复合材料：①将EP和KH560置于烧杯中以1 000 r/min的转速搅拌；②将i-Al₂O₃缓慢加入EP中，持续搅拌30 min；③加入固化剂，继续搅拌30 min；④将混合好的环氧共混物置于真空箱中，抽真空去泡；⑤将该共混物填充到PTFE模具中；⑥将装有环氧共混物的PTFE模具再次放入真空箱中抽真空；⑦将PTFE模具置于真空烘箱中，先在80℃下固化4 h，然后升温到140℃继续固化4 h后脱膜即得到环氧复合材料。

1.4 测试与表征

采用傅里叶变换红外光谱仪测试无规氧化铝表面经KH560处理前后的变化；采用旋转黏度计测试固化前环氧共混物的黏度；采用材料拉伸实验机测试环氧复合材料的力学性能；采用扫描电镜观察纯环氧树脂和环氧复合材料断裂截面的形貌；采用导热测试仪根据ISO 22007-2:2015测试环氧复合材料的导热系数；采用差示扫描量热-热重联用仪测试环氧复合材料的热稳定性；采用兆欧表根据GB/T 31838.2—2019测试环氧复合材料的体积电阻率。

2 结果与讨论

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2.1 i-Al₂O₃表面处理前后对比

i-Al₂O₃经KH560处理前后的红外光谱对比如图1所示。从图1可以看出，经KH560处理后的 i-Al₂O₃在3 669.16、2 987.54、2 898.89、1 066.78 cm^-1处出现新的官能团，1 066.78 cm^-1处为Si-O-Si反伸缩振动峰，2 987.54 cm^-1和2 898.89 cm^-1处为-CH₂-的伸缩振动峰，证明KH560成功包覆在i-Al₂O₃表面。

2.2 环氧共混物的黏度

添加不同体积分数i-Al₂O₃的环氧共混物的黏度如图2所示。从图2可以看出，环氧共混物的黏度随着i-Al₂O₃体积分数的增加逐渐增大，因此，可通过调整i-Al₂O₃体积分数来调控共混物黏度，使之符合实际施工要求。当i-Al₂O₃体积分数超过45%时，体系黏度太大，不利于实际施工应用，因此i-Al₂O₃体积分数控制在45%或以下较为合适。

2.3 环氧复合材料的力学性能

不同i-Al₂O₃体积分数的环氧复合材料的拉伸强度如图3所示。从图3可以看出，随着i-Al₂O₃体积分数的增加，环氧复合材料的拉伸强度呈现先上升后下降的趋势。当体积分数为40%时，环氧复合材料的力学性能达到最大值52.30 MPa，较纯环氧树脂（35.52 MPa）提高了47.2%；当体积分数为45%时，环氧复合材料的力学性能为45.39 MPa，较纯环氧树脂提高了27.8%。

2.4 表面形貌分析

图4为i-Al₂O₃的表面形貌。从图4可以看出， i-Al₂O₃颗粒呈现不规则形貌，且大小不一，选用这种形貌的氧化铝，有利于在环氧树脂基体中构建导热通路，从而能够有效提高环氧树脂的导热性能。

图5为环氧复合材料的拉伸断裂截面形貌。从图5可以看出，纯环氧树脂的断面较光滑，且呈现为褶皱拉丝状，表明纯环氧树脂具有一定的韧性，而随i-Al₂O₃体积分数的增加，环氧复合材料的表面明显变得粗糙，且能清晰看到i-Al₂O₃与环氧树脂两相的界面，总体来看i-Al₂O₃能够较均匀地分布在环氧树脂中。从图5(d)可以看出，当i-Al₂O₃体积分数为45%时，i-Al₂O₃在环氧树脂中彼此间距较近，有利于热量传导，从图5(e)～(f)可以看出，i-Al₂O₃体积分数进一步增大，i-Al₂O₃颗粒彼此更靠近，有部分甚至直接接触在一起，因此导热效果更好。

2.5 环氧复合材料的TGA/DSC分析

图6和图7分别是环氧复合材料的DSC曲线和热重分析曲线。由图6可见，在环氧树脂中添加 i-Al₂O₃后，环氧复合材料整体的释放热值有很明显的降低，而且都有不同程度的提前释放，这可能是因为添加i-Al₂O₃后，热量持续输入环氧复合材料中，由于氧化铝导热性能较好，吸收热量较快，所以环氧复合材料会提前达到环氧树脂的分解温度临界点。从图7可以看出，i-Al₂O₃的加入提高了环氧树脂的初始热稳定性，这是因为环氧树脂中添加 i-Al₂O₃导热填料后，热量更容易从环氧树脂内部向外部传导，从而减少热量在环氧树脂中的停留时间，所以表现为环氧复合材料的初始热稳定更好。从图7还可以看出，i-Al₂O₃添加的体积分数越高环氧复合材料的热稳定性越好。

2.6 环氧复合材料的体积电阻率和导热系数

图8为添加不同体积分数i-Al₂O₃的环氧复合材料的体积电阻率和导热系数变化趋势图。从图8可以看出，随着i-Al₂O₃体积分数的增加，环氧复合材料的导热系数逐渐增大，而体积电阻率逐渐下降，但总体还是维持在10¹⁴ Ω·cm的水平。这是由于 i-Al₂O₃本身也属于绝缘材料，不会对环氧树脂的绝缘性能产生明显影响，但是因为i-Al₂O₃和环氧树脂的绝缘水平不一致，所以复合材料的体积电阻率会有略微的变化。当i-Al₂O₃的体积分数为45%时，环氧复合材料的导热系数为1.44 W/(m·K)，较纯环氧树脂的0.21 W/(m·K)提高了585.7%，这是因为 i-Al₂O₃的导热系数比环氧树脂高，当i-Al₂O₃在环氧树脂中的填充量逐渐提高，彼此之间在一定范围内构建了导热通路，有助于热量及时导出，所以i-Al₂O₃的添加可明显提高环氧树脂的导热系数。

3 结论

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（1）采用i-Al₂O₃作为环氧树脂的导热填料，研究结果表明i-Al₂O₃在环氧树脂中通过构建导热通路从而实现热量快速向外传导。随着i-Al₂O₃体积分数的增加，环氧复合材料的导热系数呈现递增的趋势。

（2）采用KH560对i-Al₂O₃进行表面处理，红外分析表明在i-Al₂O₃表面形成了新的官能团；随着i-Al₂O₃体积分数的增加，环氧复合材料的拉伸强度呈现先增加后降低的趋势，当i-Al₂O₃体积分数为40%时，拉伸强度达到52.3MPa；i-Al₂O₃的添加对环氧复合材料的绝缘性能影响不大。

（3）TGA/DSC分析分析结果表明，添加i-Al₂O₃有利于提高环氧树脂的热稳定性。

基金

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福建省中科院STS计划配套项目(2022T3056)

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

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2023年第56卷第6期

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191

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doi: 10.16790/j.cnki.1009-9239.im.2023.06.003

接收时间：2022-06-23
首发时间：2025-11-21
出版时间：2023-06-20

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收稿日期：2022-06-23
修回日期：2022-08-25

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福建省中科院STS计划配套项目(2022T3056)

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¹厦门稀土材料研究所，福建厦门 361028

²湖南工业大学，湖南株洲 412007

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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固化剂	42	27	25	23	21	19
i-Al₂O₃	0	35	40	45	50	55

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固化剂	42	27	25	23	21	19
i-Al₂O₃	0	35	40	45	50	55

原料	样品
原料	V0	V35	V40	V45	V50	V55
EP	58	38	35	32	29	26
固化剂	42	27	25	23	21	19
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