聚酰亞胺（PI）薄膜因其超高的絕緣強(qiáng)度、機(jī)械強(qiáng)度、熱分解溫度和尺寸穩(wěn)定性被廣泛應(yīng)用于電工電氣的絕緣領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，電機(jī)的能量密度越來越大，對(duì)電機(jī)的絕緣材料提出了更高的要求。大功率電機(jī)的載流大，產(chǎn)生的熱量更高；熱量不及時(shí)傳導(dǎo)，會(huì)使電機(jī)內(nèi)部溫度升高，電子元器件熱脹形變，降低電機(jī)效率，甚至導(dǎo)致電機(jī)燒毀。因此在保持聚酰亞胺薄膜原有性能的同時(shí)，提高其導(dǎo)熱性，已成為電氣級(jí)聚酰亞胺研究的重點(diǎn)。目前國內(nèi)能夠批量生產(chǎn)高導(dǎo)熱聚酰亞胺薄膜的廠家極少，主要產(chǎn)能均集中在國外，其中美國杜邦公司的KaptonRMT是一款明星產(chǎn)品，通過加入氧化鋁填料將聚酰亞胺的導(dǎo)熱系數(shù)從0.2W/m·K提高到0.46W/m·K。

目前利用高導(dǎo)熱的粒子填充到聚合物基體來提高聚合物導(dǎo)熱性是一種常見的提高導(dǎo)熱性的方法。常用的高導(dǎo)熱粒子主要分為兩類：一類是金屬粉末，一類是無機(jī)粒子。其中金屬粉末如銅粉、銀粉、鋁粉等，其導(dǎo)熱機(jī)理是通過金屬內(nèi)部自由移動(dòng)的電子來傳遞熱量，而自由電子使金屬粉末具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性，會(huì)大幅降低聚酰亞胺薄膜的絕緣強(qiáng)度，并不適合絕緣材料使用。無機(jī)粒子包括氧化鋁、氮化鋁、氮化硼等無機(jī)顆粒，這些無機(jī)顆粒具有細(xì)密的晶格，可以通過晶格的振動(dòng)將熱量快速傳遞出去，而且沒有可以自由移動(dòng)的電子，因此這些顆粒具有較高的導(dǎo)熱性和絕緣性，是制備高導(dǎo)熱絕緣聚酰亞胺薄膜的首選。

使用無機(jī)粒子制備高導(dǎo)熱聚酰亞胺薄膜的關(guān)鍵是讓無機(jī)顆粒在聚酰亞胺基體內(nèi)形成完整的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。熱量可以通過無機(jī)顆粒構(gòu)成的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)直接傳導(dǎo)出去，而當(dāng)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)不完整時(shí)，無機(jī)顆粒和聚酰亞胺基體之間的相界面會(huì)產(chǎn)生很大的熱阻，導(dǎo)熱性能較差。影響無機(jī)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)形成的主要因素有填充量、粒子-基體相容性、粒子微觀結(jié)構(gòu)、粒子取向等。

導(dǎo)熱通路是導(dǎo)熱粒子與粒子直接在聚合物基體連接形成的，這就需要較高的填充量才能保證粒子與粒子相結(jié)合。無機(jī)粒子和聚合物基體的極性差異較大，兩者相容性不好，材料的機(jī)械性能和導(dǎo)熱性能不佳，可以采用偶聯(lián)劑對(duì)無機(jī)顆粒表面改性的方法提高相容性，從而提升材料的機(jī)械性能，降低界面熱阻，提高導(dǎo)熱性能。無機(jī)粒子的微觀結(jié)構(gòu)決定了聚合物基體內(nèi)導(dǎo)熱通路的形態(tài)。使用不同微觀結(jié)構(gòu)的無機(jī)顆粒復(fù)配，可以使無機(jī)粒子之間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生互補(bǔ)作用，提高導(dǎo)熱性。在聚合基體中的無機(jī)粒子會(huì)隨著聚合物的加工過程發(fā)生取向變化，導(dǎo)致聚合物導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)改變，從而影響導(dǎo)熱性能。

六方氮化硼（h-BN）作為一種導(dǎo)熱性非常好的無機(jī)粒子，其內(nèi)部的原子結(jié)構(gòu)類似于石墨烯，呈層狀排布，因此和石墨一樣具有超高的導(dǎo)熱性，其中微米級(jí)的h-BN的導(dǎo)熱系數(shù)更是高達(dá)300W/m·K。和石墨不同，氮化硼內(nèi)部不含有可以自由移動(dòng)的電子，其絕緣強(qiáng)度可達(dá)800V/μm。由于其具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性和絕緣強(qiáng)度，因而被廣泛應(yīng)用于提高高導(dǎo)熱絕緣材料的制備。然而氮化硼的微觀結(jié)構(gòu)為片狀，在聚合物薄膜拉伸過程中極容易水平取向，大量氮化硼呈水平分布，導(dǎo)致熱量更容易延膜面?zhèn)鬟f，而在薄膜內(nèi)外層之間的導(dǎo)熱性要差得多，國內(nèi)外很多文獻(xiàn)對(duì)此做了深入研究。

Song等利用氮化硼和PVA復(fù)合，經(jīng)過三倍拉伸制得高導(dǎo)熱PVA薄膜，其中氮化硼的添加量為15%。經(jīng)過高倍率拉伸后，氮化硼的水平取向很劇烈，導(dǎo)致測試其膜面的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)13W/m·K。Lin等在氮化硼表面接枝具有磁性的納米顆粒如γ-Fe2O3，通過磁場來誘導(dǎo)氮化硼顆粒取向，并使用這種方法制備了氮化硼-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。測試導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)現(xiàn)，控制取向的復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.9W/m·K，遠(yuǎn)高于未控制取向的0.4W/m·K。Lim通過高壓電場讓氮化硼垂直取向，其制備的導(dǎo)熱硅橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)4.7W/m·K，其導(dǎo)熱性能有很大提高。Tanimoto等系統(tǒng)研究了氮化硼的粒徑、含量、形狀對(duì)聚酰亞胺材料導(dǎo)熱性能的影響，結(jié)果表明，氮化硼顆粒越大，聚酰亞胺分子剛性越高，導(dǎo)熱性能越好，顆粒在基體內(nèi)部取向越劇烈，導(dǎo)熱系數(shù)的各項(xiàng)異性越明顯。

高導(dǎo)熱聚酰亞胺薄膜主要應(yīng)用于大功率電機(jī)的絕緣繞組，其熱量在膜面快速傳播，非常有利于散熱，但是更重要的是將熱量及時(shí)從金屬線圈通過絕緣薄膜傳遞到外面，這對(duì)薄膜上下兩面之間的導(dǎo)熱性提出了很高的要求。

α-氧化鋁的微觀結(jié)構(gòu)為球狀，在聚合物中分散取向不明顯，且其絕緣性能優(yōu)異，因此也常被用于制備高性能絕緣材料。然而其導(dǎo)熱系數(shù)為30W/m·K，由于其熱導(dǎo)率相對(duì)于其他高導(dǎo)熱填料比較低，因此在高導(dǎo)熱絕緣材料制備中經(jīng)常與其他導(dǎo)熱填料復(fù)配。Wang等使用不同粒徑的氧化鋁和氮化硅復(fù)配制備的高導(dǎo)熱硅橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)到1.48~2W/m·K。章文捷等利用氧化鋁和氮化鋁復(fù)配制得的有機(jī)硅灌封用漿液，其導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)0.89W/m·K。周文英等利用氧化鋁、氮化鋁、碳化硼為導(dǎo)熱填料，酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂為基體，制備出了導(dǎo)熱系數(shù)為0.99W/m·K，介電常數(shù)為6,體積電阻為4.6×1012Ω·m的高導(dǎo)熱膠黏劑。

考慮到微米級(jí)氮化硼具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性，但其取向作用明顯，導(dǎo)熱薄膜各向異性突出；氧化鋁顆粒取向不明顯，導(dǎo)熱系數(shù)稍低。本文使用微米級(jí)的氮化硼、亞微米級(jí)的氧化鋁和納米級(jí)的氧化鋁三種導(dǎo)熱填料復(fù)配，并對(duì)其表面使用硅烷偶聯(lián)劑KH550進(jìn)行改性，制備出了一系列高導(dǎo)熱聚酰亞胺薄膜，并對(duì)其導(dǎo)熱性、絕緣強(qiáng)度、力學(xué)性能及熱穩(wěn)定性做了研究。

1.實(shí)驗(yàn)部分

1.1藥品及儀器（表1、表2）

1.2無機(jī)粒子的表面改性

稱取5g微米級(jí)氮化硼（粒徑2～4μm），加入100g50%的NaOH溶液，超聲分散2h，室溫放置12h。過濾洗滌至洗滌液呈中性，干燥粉碎得表面活化的微米級(jí)氮化硼。將活化好的氮化硼加入250mL的N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）中分散均勻，加入KH550，攪拌均勻后，超聲處理2h，通氮保護(hù)反應(yīng)12h。過濾，使用無水乙醇洗滌，烘干粉碎，制得表面改性后的微米級(jí)氮化硼。

亞微米級(jí)氧化鋁（粒徑0.3～0.5μm）和納米級(jí)氧化鋁（粒徑50～100nm）表面處理方式與氮化硼類似，由于氧化鋁表面有較多羥基，因此不需要表面活化處理，直接在DMAc體系中加入KH550，超聲、過濾、洗滌、干燥即可。

1.3聚酰胺酸漿料的制備

將處理好的無機(jī)粒子加入三口燒瓶中，加入DMAc，超聲分散2h，在分散液中加入4,4′-二氨基二苯醚（ODA），待完全溶解后分步加入均苯四甲酸二酐（PMDA），此時(shí)聚合物基體粘度逐漸提高，待粘度升高到200PaS左右時(shí)，停止加入PMDA，繼續(xù)攪拌2h。取出真空脫泡，得聚酰胺酸漿料。

1.4高導(dǎo)熱聚酰亞胺薄膜的制備

將脫完泡的聚酰胺酸漿料均勻放置在鏡面拋光的鋼板上，調(diào)整涂抹器刮刀的間距，將聚酰胺酸漿料均勻刮涂在鋼板上。將鋼板置于60℃烘箱中1h，轉(zhuǎn)移到120℃烘箱中0.5h，再轉(zhuǎn)移到180℃烘箱中0.5h，再轉(zhuǎn)移到250℃烘箱中10min，再轉(zhuǎn)移到350℃烘箱中5min，最后轉(zhuǎn)移到440℃烘箱中3min。冷卻后，取下薄膜即得高導(dǎo)熱聚酰亞胺薄膜。

1.5測試與表征

無機(jī)顆粒紅外光譜分析按照KBr壓片法，薄膜按照GB/T13542.2-2009的方法測試絕緣強(qiáng)度。按照GB/T1040.3-2006的方法測試?yán)鞆?qiáng)度。導(dǎo)熱系數(shù)測試時(shí)溫度為20℃，每2min取樣。熱失重分析氣氛為氮?dú)?，升溫速率?0℃/min。

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