聚醚醚酮基导热复合材料的制备与性能

孙诗良;曲敏杰;王志超;赵建;侯月娇;吴立豪

【摘 要】采用模压成型工艺制备聚醚醚酮(PEEK)/铜粉导热复合材料,分析了Cu粉用量对PEEK/Cu复合材料导热系数、微观结构、结晶性能的影响.添加Cu粉后,复合材料的结晶温度降低,结晶速率加快;随Cu粉用量的增加,复合材料的导热系数升高.当Cu粉质量分数为20％时,导热系数提高100.9％.结果表明,添加Cu粉能有效地提高复合材料的导热性能.

【期刊名称】《大连工业大学学报》 【年(卷),期】2015(034)004 【总页数】4页(P263-266)

【关键词】聚醚醚酮;铜粉;复合材料;导热

【作 者】孙诗良;曲敏杰;王志超;赵建;侯月娇;吴立豪

【作者单位】大连工业大学纺织与材料学院,辽宁大连 116034;大连工业大学纺织与材料学院,辽宁大连 116034;大连工业大学纺织与材料学院,辽宁大连 116034;大连工业大学纺织与材料学院,辽宁大连 116034;大连工业大学纺织与材料学院,辽宁大连 116034;大连路阳科技开发有限公司,辽宁大连 116600 【正文语种】中 文 【中图分类】TQ324.8 0 引言

聚醚醚酮（PEEK）是一种综合性能优良的可塑性特种工程塑料，具有较高的玻璃

化转变温度（t

g＝143℃）和熔点（t

m＝343℃），可在250℃下长期使用

［1－2］。PEEK分子结构中含有刚性的酮键、苯环及柔性的醚键，因此有一定的韧性和刚性，具有耐高温、耐化学腐蚀、高强度、耐疲劳性好等优异性能，广泛应用于航空航天、轴承、车身材料、电子电气、密封件及医疗等领域 ［3－5］。但是，由于其导热性能较差，导热系数仅为0．15～0．25W／（m·K），其应用受到限制。

导热高分子材料作为一种常用的功能材料，广泛应用于微电子元件、热交换器、汽车及航天等领域

［6－7］，且需求量越来越大。目前，国内外对导热高分子材料的研究大多数集中于普通的热塑性高分子材料领域

［8－10］，对制备耐高温的导热复合材料还未引起足够重视，相关报道较少

［11－13］。

本实验以PEEK为基体，Cu粉作为导热填料，采用模压成型工艺制备了PEEK／Cu导热复合材料，研究了Cu粉用量对复合材料导热系数、结晶性能及力学性能的影响。 1 试验 1．1 材料与仪器

PEEK，牌号550PF，密度1．32g／cm

3；Cu粉，粒径10μm。自制模具，FW100型高速万能粉碎机，QLB

－50D／Q型平板硫化机，YBF－3型导热系数测定仪，STAPT1600型差热扫描量热仪。 1．2 试验过程

将干燥后的PEEK与Cu粉按质量比100∶0，95∶5，90∶10，85∶15，80∶20置于高混机中，均匀混合15min后，将混合料放入模腔内，在平板硫化机中以2．5MPa保压5min，然后置于温度为380℃的马弗炉中，保温90min。随后将模具取出置于平板硫化机中冷压20min。制得样品在250℃下热处理1h。 1．3 测试与表征 1．3．1 SEM分析

在液氮环境下脆断样品，在断面表面镀一薄层金，然后利用扫描电镜观察复合材料断面形貌。

1．3．2 导热系数测试

模压制备直径为13cm、厚度为5mm的圆样片，利用导热系数测定仪稳态平板法测定复合材料在100℃时的导热系数。

式中：m为下铜板质量，g；c为铜板比热容（0．380× 10 3J／kg）；h为样品厚度，mm；R为样品半径，mm；V 1为上铜板电动势，mV；V 2为下铜板电动势，mV；h P为铜板厚度，mm；R

P为铜板半径，mm；ΔV／ΔT为下铜板在空气中的电势降。

1．3．3 力学性能

拉伸强度按GB／T 1040—1992标准进行测试，速度为10mm／min；按GB 1943—2007标准进行缺口冲击强度测试，缺口厚度为2mm。 1．3．4 XRD分析

利用X射线衍射仪，采用CuKα（40kV，200mA）辐射，射线用Ni过滤，波长为0．154nm。在2θ为10°～45°范围内，以步长0．02°连续扫描不同填料含量的复合材料，得到衍射曲线。 1．3．5 DSC分析 在N

2氛围下，以10℃／min的速率，从室温升至400℃，保温5 min，以消除热历史，再以10℃／min的速率降至50℃，得到结晶曲线。 2 结果与讨论 2．1 断面形貌分析

图1为PEEK及其复合材料断面扫描电镜照片。从图1（a）中可以看出，纯PEEK断裂表面较为平整，表现为河流样式，平坦区域没有发生明显的塑性变形，是典型的聚合物脆性断裂特征；从图1（b）可以看出，填料在PEEK树脂中的分散较为均匀，并没有发生团聚现象，断裂面变得凹凸不平。随着Cu粉用量的增加，断裂表面出现层次丰富的鱼鳞状结构以及较大韧窝，且图1（d）出现裸露的粒子。

图1 PEEK及其复合材料的SEM照片

Fig．1 SEM photos of PEEK and its composites

这是因为刚性金属粒子与PEEK基体材料界面结合处易于形成缺陷，产生应力集中，刚性粒子诱发周围基体在张力作用下发生塑性变形，因而添加Cu粉后断裂表面凹凸不平。随着Cu粉用量的增加，填料之间的树脂层厚度逐渐减小，且Cu粉与基体树脂界面结合力越来越小，在断裂过程中，Cu粉完全从基体树脂中剥离而裸露在表面。因此，PEEK／Cu复合材料的冲击强度较纯PEEK反而下降，这与力学性能分析结果一致。 2．2 导热性能

图2为不同填料用量下PEEK／Cu复合材料的导热系数曲线。由图2可见，纯PEEK的导热系数仅为0．230W／（m·K），随Cu粉用量的增加，复合材料的导热系数增大。Cu粉质量分数为10%时，复合材料导热系数为0．317 W／（m·K），相比于纯PEEK提高了37．8%；Cu粉质量分数为20%时，复合材料的导热系数达到0．462W／（m·K）。

结合图1可以看出，当Cu质量分数低于10%时，体系的热导率增幅缓慢，这可能是由于在填料用量较低时，导热填料均匀地分散在树脂基体，粒子在PEEK基体中大多以孤岛形式存在；当Cu粉质量分数超过10%时，Cu粉间树脂层厚度减小，Cu粉间接触概率增大，形成导热通路，使得热流沿热阻很小的填料通过，而不是穿过高热阻的树脂层，于是显著提高了复合材料的热导率［14－15］。

图2 Cu用量对复合材料导热性能的影响

Fig．2 Effect of Cu powder contents on thermal conductivity of

the composites 2．3 力学性能

Cu粉用量对复合材料的拉伸强度及冲击强度的影响如图3所示，纯PEEK的拉伸强度和冲击强度分别为110．1 MPa、9．53kJ／m

2。随Cu粉质量分数的增加，复合材料的拉伸强度和冲击强度呈现下降的趋势。当Cu粉质量分数为5%时，其拉伸和冲击强度相比于纯PEEK分别下降了11．7%和5．98%。Cu粉用量继续增加，复合材料的拉伸强度逐渐降低，而冲击强度几乎成比例下降。这是由于当Cu粉质量分数较低时，Cu粉粒子引发的基体损伤以及两相界面结合能降低；加入过多Cu粉时，粒子与聚合物基体的薄弱点就会越来越多，对基体材料的破坏作用越强，因而使得复合体系的力学性能下降。

图3 Cu粉用量对复合材料力学性能的影响

Fig．3 Effects of Cu powder contents on mechanical properties of the composites 2．4 XRD分析

由图4可以看出，纯PEEK在19．20°、 21．18°、23．22°、29．30°出现了4个明显的特征衍射峰，分别对应（110）、（111）、（200）、（211）晶面。加入Cu粉后，衍射峰的位置没有变化，但峰强发生变化。随着Cu质量分数的增

加，复合材料的衍射强度明显减弱。当Cu粉质量分数为20%时，衍射峰强度比纯PEEK小得多。Cu粉质量分数继续增加，衍射峰强度逐渐降低，半峰宽变化并不明显。Cu粉质量为20%时，在19．20°处特征峰强度为纯PEEK的1／2；在23．22°处特征峰强度为纯PEEK的1／10。说明Cu粉的加入抑制了PEEK的结晶，使得材料由半结晶状态转变为非晶态。

图4 PEEK及其复合材料的XRD曲线

Fig．4 XRD spectra of PEEK and its composites 2．5 DSC分析

图5为PEEK及其复合材料的DSC曲线。从图5可以看出，纯PEEK的结晶温度在281．7℃左右，结晶温度范围为34℃。加入Cu粉后，相比于纯PEEK，复合材料的结晶峰明显移向低温段，结晶温度范围变窄，结晶焓减小，相关参数如表1所示。随着Cu粉用量的增加，结晶焓越来越小，结晶度也越来越小，与XRD分析结果一致。这是由于加入的Cu粉限制了分子链段的运动，阻碍了链段向结晶区的运动，使晶体生长受阻，从而导致结晶能力下降 ［16－17］。

图5 PEEK及其复合材料的DSC曲线

Fig．5 DSC curves of PEEK and its composites

表1 PEEK及其复合材料DSC参数

Tab．1 DSC analysis of PEEK and its composites 注：t

c为结晶峰值温度；t on为开始结晶温度；t f为最后结晶温度；H c为结晶焓；x c为结晶度。 3 结论

利用模压成型工艺制备了PEEK／Cu导热复合材料。随Cu粉用量的增加，PEEK／Cu复合材料的导热性能明显改善。Cu粉质量分数为10%时，复合材料导热系数为0．317W／（m·K），相比于纯PEEK提高了37．8%；Cu粉质量分数为20%时，复合材料的导热系数达到0．462 W／（m·K），提高了100．9%。 随Cu粉用量的增加，复合材料的结晶温度向低温偏移，结晶温度范围变窄，结晶度降低；其力学性能呈下降趋势。因此，复合材料导热性能的提高牺牲了部分力学性能。 【相关文献】

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