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　　材料學是研究材料組成、結構、工藝、性質和使用效能之間的相互關係的學科，為材料設計、製造、工藝優化和合理使用提供科學依據。下文是小編為大家蒐集整理的的內容，歡迎大家閱讀參考!

　　篇1

　　淺析奈米二氧化矽改性環氧樹脂複合材料的效能

　　隨著資訊產業的飛速發展， 人類社會正穩步朝著高度資訊化的方向發展，資訊處理與資訊通訊正構成高度資訊化科學技術領域發展中的兩大技術支柱.以高速計算機、示波器、IC測試儀器為主體的資訊處理技術追求資訊處理的高速化、容量的增大化和體積的小型化;以手機、衛星通訊及藍芽技術等為代表的資訊通訊技術追求多通道數、高效能化和多功能化，使得使用頻率不斷提高，進入高頻甚至超高頻領域.在高頻電路中，由於基板介電常數越低，訊號傳播得越快;基板的介電常數越小，損耗因數越小，訊號傳播的衰減越小，因此，要實現高速傳輸、低能量損耗與小的傳輸延時，則對基板材料提出了更高的要求，即要求基板材料為低ε、低tanδ.

　　此外，高的耐熱性，低的吸水性和高的尺寸穩定性也是高頻電路對基板材料的基本要求.傳統的基板材料***FR4***所用的基體樹脂主要為環氧樹脂，因其成本低、工藝成熟而在印刷電路板中大量使用;但作為高頻電路基板材料，卻暴露出介電效能低劣、耐熱性不佳、熱膨脹率偏高、耐溼性差等缺陷.因此開發適合高頻電路基板材料用的樹脂體系是印刷電路板行業目前研究的一個重要方向，而對EP進行改性並藉助EP較為成熟的生產和加工工藝研究、開發和製備新型的樹脂體系，是製備高效能電路基板的一條非常經濟有效的途徑[3-5] .

　　研究表明，無機奈米粒子彌散分佈的樹脂基體材料，由於奈米粒子具有的表面特性和晶體結構使基體材料顯示出一系列優異的效能，其中奈米SiO2 改性樹脂基體具有很多優異的效能[8-10]，但奈米SiO2表面存在大量的羥基使其表現為親水性、易團聚，貯存穩定性差等缺點.因此奈米顆粒在樹脂中的均勻分散是製備高效能奈米顆粒彌散分佈有機樹脂的一個重要環節.

　　本文采用矽烷偶聯劑KH570改性奈米SiO2粉體，通過共混法制備了高效能SiO2EP樹脂複合材料，並對其微觀結構、熱穩定性和介電效能進行研究.

　　1、實驗部分

　　1.1原料

　　奈米SiO2質量分數≥99.5%，粒徑15 nm，杭州萬景新材料有限公司;苯***A.R.***、二甲苯***A.R.***、無水乙醇、H2O2 ***30 %，A.R.***，γ2***甲基丙烯醯氧***丙基三甲氧基矽烷***A.R. KH570***、環氧樹脂***E44，6101******湖南三雄化工廠***、固化劑聚醯亞胺***低分子650******湖南三雄化工廠***.

　　1.2SiO2改性環氧樹脂複合材料的製備

　　參考文獻[11]，採用 γ2***甲基丙烯醯氧***丙基三甲氧基矽烷***KH570***對奈米SiO2進行表面改性處理得到親油性奈米SiO2粉體.

　　SiO2改性環氧樹脂複合材料的製備工藝如下***以2% SiO2EP為例***：取2 g親油性SiO2粉體，超聲分散於80 mL二甲苯中，然後加入49 g環氧樹脂，攪拌均勻後再加入49 g的聚醯胺固化劑，超聲分散攪拌均勻，最後將混合體系傾入鋁製模具中，放置於烘箱中先於120 ℃預固化2 h，再升溫至150 ℃固化3 h，最後於180 ℃固化1 h得最終試樣. 　　為對比不同試樣的效能，採用相同工藝製備了未新增奈米SiO2的EP.不同組成的試樣編號如表1所示.

　　1.3效能測試

　　採用傅立葉變換紅外光譜***FTIR，Avatar360，Nicolet***研究改性奈米SiO2前後，不同試樣中化學鍵的變化，判斷可能發生的反應.操作條件：採用KBr壓片法制樣，測量的波長範圍為***4 000～400*** cm-1.

　　採用掃描電子顯微鏡***SEM，JSM6700F，Jeol***表徵微觀形貌，觀察奈米顆粒在複合材料中的分散情況.

　　用STA449C綜合熱分析儀研究試樣的熱穩定性.操作條件：樣品質量為25～35 mg，Ar流量為50 mL?min-1，升溫速率為10 ℃?min-1，溫度變化範圍為***0～800*** ℃.

　　介電常數是指介質在外加電場時會產生感應電荷而削弱電場，在相同的原電場中某一介質中的電容率與真空中的電容率的比值. 介電損耗是電介質在交變電場中，由於消耗部分電能而使電介質本身發熱的現象.SiO2改性環氧樹脂複合材料的介電常數和介電損耗採用美國安捷倫公司生產的Agilent 4991A高頻阻抗分析儀測試，測試頻率為1 M～1 G，測試夾具為美國安捷倫公司生產的Agilent16453A介電效能測試夾具.

　　2、結果與討論

　　2.1FTIR分析

　　圖1為3種試樣的紅外圖譜.對改性奈米SiO2而言，位於1 103 cm-1左右的一個寬強峰及812 cm-1附近的一個尖峰屬於Si-O-Si鍵的對稱振動峰***νSi-O-Si*** .波數為1 395 cm- 1 的吸收峰屬於νSiO-H的伸縮振動峰;波數為1 637 cm-1 處的吸收峰屬於νC = C 的伸縮振動峰，波數為1 606 cm-1 處的吸收峰歸屬於νC-C的收縮振動峰，這兩種化學鍵均來自於矽烷偶聯劑KH570，從這幾個吸收峰來看，矽烷偶聯劑已經成功地連線在SiO2表面[11-12].同時由於改性奈米SiO2中仍存在Si-OH鍵振動峰，表明偶聯劑在奈米SiO2表面的反應進行得並不完全，偶聯劑用量對SiO2改性效果的影響有待進一步研究.

　　由於聚醯亞胺固化EP材料的官能團較多，本文重點分析新增改性SiO2後，相應官能團的變化.對比新增改性奈米SiO2前後EP的紅外吸收，可知奈米SiO2在1 395 cm- 1處的峰消失，同時EP材料中出現於1 628 cm-1處的δCO-H和1 405 cm-1處的δN-H的強度降低甚至消失，表明矽烷偶聯劑和改性奈米SiO2與EP樹脂材料發生了化學反應，導致δCO-H和δN-H吸收峰強度降低或者消失.

　　波數/cm-1

　　2.2奈米SiO2新增量對EP熱穩定效能的影響

　　圖2為不同樣品在Ar氣氛下的熱重***TG***曲線和微分熱重***DTG***曲線.從圖2***a***所示TG曲線可以看出，不同組成的試樣在Ar氣氛中的熱失重過程相似，在300～500 ℃，在相同的溫度下，隨SiO2含量的增加，失重率顯著升高;而當失重率相同時，隨SiO2含量的增加，複合樹脂對應的溫度升高，表明其熱穩定性增加.表2給出了不同試樣一定失重率對應的溫度.

　　從圖2***b***所示DTG曲線可以看出，0#試樣有兩個峰值，這表明EP基體的分解可大致分為兩個步驟，這兩個失重峰對應的分別是環氧樹脂基體的熱分解和裂解殘碳的氧化[13-14].隨著新增量的增加，第一個峰值逐漸變平緩直到最後消失，而失重速率最大時對應的峰值溫度***見表2***則逐漸升高，這也表明隨新增量的增加，偶聯劑的官能團和改性奈米SiO2表面殘留的Si-OH與基體樹脂的官能團發生了化學反應，從而提高了樹脂基體的“牢固度”[15].新增量越多，“牢固度”增加的程度越大，從而導致基體材料的熱穩定性逐漸提高.

　　由於環氧樹脂及其固化劑含有較多的氧，因此儘管在惰性氣氛中進行熱分解研究，但其裂解後的殘炭量幾乎完全消失，殘餘質量與新增在其中的SiO2量相一致[14].

　　2.3奈米SiO2新增量對EP微觀形貌的影響

　　圖3為新增不同奈米SiO2顆粒的SiO2/EP複合材料的微觀形貌圖譜.從圖3***a***中可以看出，未新增SiO2的試樣斷面較為粗糙;從圖3***b***～***e***可以看出，隨SiO2新增量的增加，其在EP中的分佈由分散均勻，團聚少***圖3***b*** 和3***c******，逐步改為團聚明顯，分散均勻性差***圖3***d*** 和3***e******.當新增量為4%時，奈米SiO2均勻地分散在EP基體中，粒徑約為30 nm，對比原始SiO2尺寸，奈米顆粒還存在微弱的團聚現象.隨新增量的增加，奈米SiO2團聚現象明顯增加，當新增量增加到16%時，奈米顆粒出現嚴重的團聚現象，這將影響其介電效能.這種團聚一方面是由於奈米顆粒有很高的比表面積，同時由於偶聯劑與奈米SiO2顆粒表面Si-OH反應得並不完全，導致奈米顆粒表面仍存在Si-OH，這些官能團彼此之間可以發生縮合反應導致顆粒團聚.

　　2.4奈米SiO2新增量對EP基體介電效能的影響

　　2.4.1奈米SiO2新增量對EP介電常數的影響

　　圖4為不同試樣的介電常數與測試頻率的關係曲線圖.從圖4可以看出，5組試樣的介電常數均隨著頻率的升高呈下降趨勢.同時隨著奈米SiO2新增量的增加，試樣的介電常數呈先降低後升高的趨勢.當新增量為4%時，試樣的介電常數具有最低值.

　　log***f/Hz***

　　析認為，當奈米SiO2的新增量小於4%時，奈米SiO2新增到樹脂基體後，形成了“ 核殼過渡層”結構，以“核”作為交聯點使得複合材料的交聯度提高，其極性基團取向活動變得困難， 因而複合材料的介電常數下降.而當奈米SiO2的新增量大於4%時，奈米SiO2本身介電效能較高的影響超過了其對樹脂基體極性基團的“束縛”作用而產生了介電效能降低效應，這就導致複合材料介電常數的增加.

　　2.4.2奈米SiO2新增量對EP介電損耗的影響

　　圖5為5種試樣的介電損耗隨頻率的變化曲線.從圖5可以看出，試樣的介電損耗均隨測試頻率的增加先升高後降低;隨著奈米SiO2加入量的增多呈現先降低後升高的趨勢.同一測試頻率下，當奈米SiO2的新增量為4%時，材料的介電損耗最低;當奈米SiO2的新增量為6%時，材料的介電損耗開始增加;當奈米SiO2的新增量為16%時，材料的介電損耗接近純EP試樣的介電損耗.

　　分析認為，複合材料的介電損耗取決於環氧樹脂極性基團的鬆弛損耗和極性雜質電導損耗的共同作用.加入奈米SiO2後，一方面改性奈米SiO2表面的官能團可以與聚醯亞胺固化EP中的官能團反應，束縛了樹脂基體中極性基團的運動，從而降低了鬆弛損耗;另一方面，改性後的奈米顆粒表面不可避免地存在一些極性基團，這些基團同時增加了電導損耗，複合材料的介電損耗正是這二者共同作用的結果.當奈米SiO2的新增量小於6%時，試樣的鬆弛損耗的降低效果高於電導損耗的增加效果，所以試樣的介電損耗均比純EP的小.而當奈米SiO2的新增量為16%時，奈米SiO2出現明顯的團聚現象，這就導致鬆弛損耗的效果迅速降低，從而導致試樣總體的介電損耗接近純EP試樣.

　　3、結論

　　利用矽烷偶聯劑對奈米SiO2進行表面改性，通過共混法制備了不同奈米SiO2含量的SiO2/EP奈米複合材料，研究了SiO2的新增對複合材料微觀結構、耐熱性和介電效能的影響.結論如下：

　　1 *** 當奈米SiO2含量在0～16%時，隨著奈米SiO2含量的增加，SiO2/EP奈米複合材料的熱穩定性逐漸升高.

　　2*** SiO2/EP奈米複合材料的介電效能隨著測試頻率的升高呈下降趨勢.同一測試頻率下，隨著奈米SiO2新增量的增加，試樣的介電常數呈先降低後升高趨勢.

　　3***當奈米SiO2含量為4%時，複合材料的綜合性能最優.其耐熱性較好，介電效能最優***頻率為1 GHz時，介電常數為2.86，介電損耗為0.023 53***.

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