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Anwendung von hexagonalem Bornitrid in Polyimid

Feb 21, 2020

Polyimideigenschaften

Polyimid (PI) wird aufgrund seiner hervorragenden thermischen Stabilität, mechanischen Eigenschaften und dielektrischen Eigenschaften häufig in mikroelektronischen Geräten, elektronischen Verpackungen, in der Luft- und Raumfahrt und in anderen Bereichen eingesetzt. Der herkömmliche PI weist jedoch auch den Defekt einer schlechten Wärmeleitfähigkeit auf. Wenn es als elektronisches Gehäuse oder elektronisches Gerät verwendet wird, kann es keine Wärme rechtzeitig abführen, was die Leistung und Lebensdauer des Geräts ernsthaft beeinträchtigt. Daher hat die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von PI die Aufmerksamkeit vieler Menschen auf sich gezogen und gleichzeitig die hervorragenden umfassenden Eigenschaften von PI selbst beibehalten. Gegenwärtig ist das Befüllen von wärmeleitendem Füllstoff eine der Hauptmethoden zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit von Polymeren. (Abb. 1)

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Abbildung 1 Polyimidfilm und -platte

Wärmeleitungsmechanismus der Wärmeleitungspackung

Wärmeleitungsprinzip der Wärmeleitung PI: Der Wärmeleitungsträger im Festkörper besteht hauptsächlich aus Phonon oder Elektron (im Dielektrikum wird die Wärmeleitung durch Gitterschwingung realisiert, die Energie der Gitterschwingung wird quantisiert und das Quantum der Gitterschwingung wird Phonon genannt ). Anorganische nichtmetallische Kristalle werden üblicherweise durch das Konzept des Phonons durch die thermische Schwingung und Wärmeleitung geordneter Körner beschrieben. Da Nichtkristalle als Kristalle mit sehr feinen Körnern angesehen werden können, kann das Konzept des Phonons auch zur Analyse der Wärmeleitung von Nichtkristallen verwendet werden, aber seine Wärmeleitfähigkeit ist weitaus geringer als die von Kristallen. Die meisten Polymere sind gesättigte Systeme ohne freie Elektronen. Die Zugabe von hoch wärmeleitenden Füllstoffen zu pi ist die Hauptmethode zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit. Wärmeleitende Füllstoffe sind in PI dispergiert und stehen miteinander in Kontakt, um ein wärmeleitendes Netzwerk zu bilden, so dass Wärme schnell entlang des "wärmeleitenden Netzwerks" übertragen werden kann, um die Wärmeleitfähigkeit von PI zu verbessern, wie in Abbildung 1 dargestellt

Üblicher Wärmeleitungsfüller

Übliche Wärmeleitungsfüllstoffe umfassen:

☆ Metall (Silber, Kupfer, Aluminium usw.)

☆ Kohlenstoffmaterialien (Graphit, Kohlenstoffnanoröhren, Kohlenstofffasern usw.)

☆ Anorganische wärmeleitende Partikel (Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Titanat, Siliciumcarbid, Siliciumoxid, Bornitrid usw.)

Bornitrid ist ein idealer Füllstoff zur Herstellung von Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit, niedriger Dielektrizitätskonstante und -verlust, ausgezeichneter Oxidationsbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Eigenschaften von hexagonalem Bornitrid

Bornitrid ist ein Kristall aus Stickstoff- und Boratomen. Die chemische Zusammensetzung beträgt 43,6% Bor und 56,4% Stickstoff. Es gibt vier verschiedene Varianten: hexagonales Bornitrid (h-BN), rhomboedrisches Bornitrid (r-BN), kubisches Bornitrid (c-BN) und Wurtzit-Bornitrid (w-bn). Unter diesen hat das hexagonale Bornitridmaterial (Fig. 2):

☆ Hohe mechanische Festigkeit, hoher Schmelzpunkt und hohe Wärmeleitfähigkeit

☆ Sehr niedriger Reibungskoeffizient

☆ Guter Isolator

☆ Niedrige Dielektrizitätskonstante und Verlust

☆ Hexagonales Bornitrid kann einer hohen Temperatur von 800 ℃ in Luft standhalten.

☆ Hexagonales Bornitrid kann zu einer zweidimensionalen Struktur ähnlich wie Graphen hergestellt werden, die als "weißes Graphen" bezeichnet wird und ausgezeichnete graphenähnliche Eigenschaften aufweist.

Daher ist Borhexagonnitrid ein ausgezeichnetes thermisches PI-Füllmaterial, das auf dem Gebiet der thermischen PI-Verbundwerkstoffe weit verbreitet ist.

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Abbildung 2 hexagonales Bornitridpulver und Polyimidfilm

Herstellung eines hexagonalen Bornitrid / Polyimid-Verbundstoffs

Die gleichmäßige Dispersion von wärmeleitenden Füllstoffen in der Polymermatrix ist sehr wichtig für die Herstellung von Polymermatrix-Verbundwerkstoffen, insbesondere für die Verbesserung der Eigenschaften von Verbundwerkstoffen. Der Zweck verschiedener Dispersionsverfahren, die bei der Herstellung von Polymermatrix-Verbundwerkstoffen verwendet werden, besteht darin, die Füllstoffe in der Matrix gut dispergiert zu machen. Gegenwärtig werden PI / BN-Verbundstoffe hauptsächlich durch Mischen in flüssiger Phase hergestellt, was hauptsächlich das Mischen von Lösungen und das In-situ-Polymerisieren umfasst

(1) Lösungsmischung

Das Mischen von Lösungen erfordert häufig die Verwendung einer großen Anzahl von Lösungsmitteln. Aufgrund der Struktur und der chemischen Eigenschaften von BN kann BN nicht im Lösungsmittel gelöst werden und kann nur im Lösungsmittel dispergiert werden, um eine gleichmäßige Dispersion zu bilden. Übliche BN-Dispergiermittel umfassen Wasser, Ethanol, Isopropanol usw.; Übliche PI-Lösungsmittel umfassen Trichlormethan, Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid, Dimethylacetamid usw. Wenn BN gleichmäßig im Lösungsmittel dispergiert ist, benötigt das Gemisch aus BN und Polymer normalerweise einige äußere Kräfte, wie Ultraschallbehandlung, mechanisches Rühren, magnetisches Rühren usw. Manchmal Um BN und PI besser miteinander in Kontakt zu bringen, wird BN häufig wie Funktionalisierung, Oberflächenbehandlung usw. behandelt und dann gemischt

(2) In-situ-Polymerisation

Die In-situ-Polymerisation ist eine neue Methode zur Herstellung von Nanokompositen, die durch die Polymerisation von Monomeren (oder Oligomeren) in Gegenwart von Füllstoffen gekennzeichnet ist. In-situ-Polymerisation kann die Wechselwirkung zwischen Füllstoffen und Polymeren verbessern, was der effektivste Weg ist, Füllstoffe in der Polymermatrix zu dispergieren. Viele Verbundwerkstoffe werden durch In-situ-Polymerisation hergestellt. Die durch In-situ-Polymerisation hergestellten Verbundstoffe zeigten bessere mechanische Eigenschaften und eine niedrigere Penetrationsschwelle als diejenigen, die durch Mischen in Lösung oder mechanisches Mischen hergestellt wurden. In-situ-Polymerisation spielt auch in PI / BN-Verbundwerkstoffen eine wichtige Rolle. Zuerst wurde PAA (PI-Vorläufer) / BN durch In-situ-Polymerisation von PI-Monomer (Dianhydrid oder Tetraacid und Diamin) und BN hergestellt, dann wurden pi / BN-Verbundstoffe durch Iminreaktion hergestellt, oder PAA wurde zuerst durch Polymerisation synthetisiert, dann pi / BN-Verbundstoffe wurden durch In-situ-Polymerisation nach Mischen mit BN hergestellt.

Die Hauptfaktoren, die die Eigenschaften des h-BN / PI-Komposits beeinflussen

Die Wärmeleitfähigkeit von h-BN / PI-Verbundwerkstoffen hängt hauptsächlich von der PI-Matrix, h-BN und der von ihnen gebildeten Grenzfläche ab, während die Menge an h-BN, Partikelgröße, Geometrie, Oberflächenmodifikation und Kompositfüllung die Wärmeleitfähigkeit beeinflusst von PI.

(1) H-BN-Dosierung

Wenn die Menge an h-BN klein ist, wird das h-BN vollständig von pi umwickelt, und die meisten h-BN-Partikel können nicht direkt miteinander in Kontakt kommen. Zu diesem Zeitpunkt wird die PI-Matrix zur Wärmeflussbarriere zwischen BN-Partikeln, wodurch die Übertragung von BN-Phonon eingeschränkt wird. Mit zunehmendem h-BN-Gehalt bildet BN allmählich ein stabiles Wärmeleitungsnetzwerk in der Matrix, zu diesem Zeitpunkt steigt die Wärmeleitfähigkeit schnell an.

(2) Partikelgröße und Geometrie von h-BN

Wenn die Menge an BN gleich ist, sind Nanopartikel besser als Mikropartikel, um die Wärmeleitfähigkeit von PI zu verbessern. Durch den Quanteneffekt von Nanopartikeln nimmt die Anzahl der Korngrenzen zu, so dass die spezifische Wärmekapazität zunimmt und kovalente Bindungen zu Metallbindungen werden und sich die Wärmeleitung von molekularer (oder Gitter-) Schwingung zu freier Elektronenwärmeübertragung ändert, so dass die Wärmeleitfähigkeit von Nanopartikel sind relativ höher; Gleichzeitig ist die Partikelgröße von Nanopartikeln klein und die Anzahl von Nanopartikeln groß, was zu einer großen spezifischen Oberfläche führt, die leicht ein effektives Wärmeleitfähigkeitsnetzwerk in der Matrix bilden kann, was zur Verbesserung der Wärme beiträgt Leitfähigkeit von PI. Bei Mikronpartikeln ist die spezifische Oberfläche des wärmeleitenden Füllstoffs mit großer Partikelgröße und der gleichen Menge an BN-Füllstoff kleiner und es ist nicht einfach, ihn mit Klebstoff zu umwickeln, so dass die Wahrscheinlichkeit einer Verbindung miteinander größer ist (es ist leichter einen effektiven Wärmeleitungspfad zu bilden), der zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit des Klebstoffs beiträgt. Wenn der BN-Gehalt gleich ist, ist außerdem die Wahrscheinlichkeit eines Wärmeleitungsnetzwerks, das von demselben Füllstoff mit unterschiedlicher Geometrie in der Matrix gebildet wird, unterschiedlich, und das Wärmeleitungsnetzwerk, das von dem Wärmeleitungsfüllstoff mit einem größeren Längen-Durchmesser-Verhältnis gebildet wird, ist einfacher. Dies ist förderlicher, um die Wärmeleitfähigkeit der Matrix zu verbessern. Mit einem Wort, die Auswahl der Partikelgröße sollte moderat sein, weder zu groß noch zu klein

(3) Oberflächenmodifikation von h-BN

Aufgrund des Polaritätsunterschieds zwischen BN- und PI-Matrix ist die Kompatibilität von BN- und PI-Matrix schlecht, BN ist in PI-Matrix leicht zu agglomerieren. Darüber hinaus ist es aufgrund seiner hohen Oberflächenspannung schwierig, die Oberfläche von BN mit einer PI-Matrix zu benetzen, und es gibt Hohlräume und Defekte zwischen den Phasengrenzflächen, wodurch der Wärmewiderstand der Grenzfläche erhöht wird. Daher kann die Oberflächenmodifikation von BN-Partikeln aus anorganischem Füllstoff ihre Dispergierbarkeit verbessern, Grenzflächendefekte verringern, die Grenzflächenbindungsstärke verbessern, die Streuung von Phononen an der Grenzfläche hemmen und den Ausbreitungsfreien Weg von Phononen erhöhen, um die Wärmeleitfähigkeit der zu verbessern System

(4) Verbundfüllung von h-BN

Zusätzlich zur Einführung von BN werden andere Füllstoffe mit hervorragenden Eigenschaften in die Verbindung mit BN eingeführt, um BN-Verbundfüllstoffe zu erhalten, die zu einem weiteren Forschungsschwerpunkt für wärmeleitende BN-Verbundwerkstoffe geworden sind. Durch den synergistischen Effekt zwischen verschiedenen Füllstoffen und den Aufbau eines Wärmeleitungsnetzwerks können BN-Verbundfüllstoffe häufig umfassendere Eigenschaften erzielen als einzelne BN-Füllstoffe. Zum Beispiel eindimensionale Packung und zweidimensionale BN-Verbindung, BN und leitfähige Packungsverbindung, eindimensionale BN und zweidimensionale Packungsverbindung und so weiter.