材料學(xué)是研究材料組成、結(jié)構(gòu)、工藝、性質(zhì)和使用性能之間的相互關(guān)系的學(xué)科，為材料設(shè)計(jì)、制造、工藝優(yōu)化和合理使用提供科學(xué)依據(jù)。下文是學(xué)習(xí)啦小編為大家搜集整理的有關(guān)材料學(xué)的論文的內(nèi)容，歡迎大家閱讀參考!

　　有關(guān)材料學(xué)的論文篇1

　　淺析納米二氧化硅改性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的性能

　　隨著信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展， 人類(lèi)社會(huì)正穩(wěn)步朝著高度信息化的方向發(fā)展，信息處理與信息通訊正構(gòu)成高度信息化科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展中的兩大技術(shù)支柱.以高速計(jì)算機(jī)、示波器、IC測(cè)試儀器為主體的信息處理技術(shù)追求信息處理的高速化、容量的增大化和體積的小型化;以手機(jī)、衛(wèi)星通訊及藍(lán)牙技術(shù)等為代表的信息通訊技術(shù)追求多通道數(shù)、高性能化和多功能化，使得使用頻率不斷提高，進(jìn)入高頻甚至超高頻領(lǐng)域.在高頻電路中，由于基板介電常數(shù)越低，信號(hào)傳播得越快;基板的介電常數(shù)越小，損耗因數(shù)越小，信號(hào)傳播的衰減越小，因此，要實(shí)現(xiàn)高速傳輸、低能量損耗與小的傳輸延時(shí)，則對(duì)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(wěn)定性也是高頻電路對(duì)基板材料的基本要求.傳統(tǒng)的基板材料(FR4)所用的基體樹(shù)脂主要為環(huán)氧樹(shù)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，卻暴露出介電性能低劣、耐熱性不佳、熱膨脹率偏高、耐濕性差等缺陷.因此開(kāi)發(fā)適合高頻電路基板材料用的樹(shù)脂體系是印刷電路板行業(yè)目前研究的一個(gè)重要方向，而對(duì)EP進(jìn)行改性并借助EP較為成熟的生產(chǎn)和加工工藝研究、開(kāi)發(fā)和制備新型的樹(shù)脂體系，是制備高性能電路基板的一條非常經(jīng)濟(jì)有效的途徑[3-5] .

　　研究表明，無(wú)機(jī)納米粒子彌散分布的樹(shù)脂基體材料，由于納米粒子具有的表面特性和晶體結(jié)構(gòu)使基體材料顯示出一系列優(yōu)異的性能，其中納米SiO2 改性樹(shù)脂基體具有很多優(yōu)異的性能[8-10]，但納米SiO2表面存在大量的羥基使其表現(xiàn)為親水性、易團(tuán)聚，貯存穩(wěn)定性差等缺點(diǎn).因此納米顆粒在樹(shù)脂中的均勻分散是制備高性能納米顆粒彌散分布有機(jī)樹(shù)脂的一個(gè)重要環(huán)節(jié).

　　本文采用硅烷偶聯(lián)劑KH570改性納米SiO2粉體，通過(guò)共混法制備了高性能SiO2EP樹(shù)脂復(fù)合材料，并對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性和介電性能進(jìn)行研究.

　　1、實(shí)驗(yàn)部分

　　1.1原料

　　納米SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.5%，粒徑15 nm，杭州萬(wàn)景新材料有限公司;苯(A.R.)、二甲苯(A.R.)、無(wú)水乙醇、H2O2 (30 %，A.R.)，γ2(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(A.R. KH570)、環(huán)氧樹(shù)脂(E44，6101)(湖南三雄化工廠)、固化劑聚酰亞胺(低分子650)(湖南三雄化工廠).

　　1.2SiO2改性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的制備

　　參考文獻(xiàn)[11]，采用 γ2(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH570)對(duì)納米SiO2進(jìn)行表面改性處理得到親油性納米SiO2粉體.

　　SiO2改性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的制備工藝如下(以2% SiO2EP為例)：取2 g親油性SiO2粉體，超聲分散于80 mL二甲苯中，然后加入49 g環(huán)氧樹(shù)脂，攪拌均勻后再加入49 g的聚酰胺固化劑，超聲分散攪拌均勻，最后將混合體系傾入鋁制模具中，放置于烘箱中先于120 ℃預(yù)固化2 h，再升溫至150 ℃固化3 h，最后于180 ℃固化1 h得最終試樣. 　　為對(duì)比不同試樣的性能，采用相同工藝制備了未添加納米SiO2的EP.不同組成的試樣編號(hào)如表1所示.

　　1.3性能測(cè)試

　　采用傅立葉變換紅外光譜(FTIR，Avatar360，Nicolet)研究改性納米SiO2前后，不同試樣中化學(xué)鍵的變化，判斷可能發(fā)生的反應(yīng).操作條件：采用KBr壓片法制樣，測(cè)量的波長(zhǎng)范圍為(4 000～400) cm-1.

　　采用掃描電子顯微鏡(SEM，JSM6700F，Jeol)表征微觀形貌，觀察納米顆粒在復(fù)合材料中的分散情況.

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

　　介電常數(shù)是指介質(zhì)在外加電場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場(chǎng)，在相同的原電場(chǎng)中某一介質(zhì)中的電容率與真空中的電容率的比值. 介電損耗是電介質(zhì)在交變電場(chǎng)中，由于消耗部分電能而使電介質(zhì)本身發(fā)熱的現(xiàn)象.SiO2改性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的介電常數(shù)和介電損耗采用美國(guó)安捷倫公司生產(chǎn)的Agilent 4991A高頻阻抗分析儀測(cè)試，測(cè)試頻率為1 M～1 G，測(cè)試夾具為美國(guó)安捷倫公司生產(chǎn)的Agilent16453A介電性能測(cè)試夾具.

　　2、結(jié)果與討論

　　2.1FTIR分析

　　圖1為3種試樣的紅外圖譜.對(duì)改性納米SiO2而言，位于1 103 cm-1左右的一個(gè)寬強(qiáng)峰及812 cm-1附近的一個(gè)尖峰屬于Si-O-Si鍵的對(duì)稱(chēng)振動(dòng)峰(νSi-O-Si) .波數(shù)為1 395 cm- 1 的吸收峰屬于νSiO-H的伸縮振動(dòng)峰;波數(shù)為1 637 cm-1 處的吸收峰屬于νC = C 的伸縮振動(dòng)峰，波數(shù)為1 606 cm-1 處的吸收峰歸屬于νC-C的收縮振動(dòng)峰，這兩種化學(xué)鍵均來(lái)自于硅烷偶聯(lián)劑KH570，從這幾個(gè)吸收峰來(lái)看，硅烷偶聯(lián)劑已經(jīng)成功地連接在SiO2表面[11-12].同時(shí)由于改性納米SiO2中仍存在Si-OH鍵振動(dòng)峰，表明偶聯(lián)劑在納米SiO2表面的反應(yīng)進(jìn)行得并不完全，偶聯(lián)劑用量對(duì)SiO2改性效果的影響有待進(jìn)一步研究.

　　由于聚酰亞胺固化EP材料的官能團(tuán)較多，本文重點(diǎn)分析添加改性SiO2后，相應(yīng)官能團(tuán)的變化.對(duì)比添加改性納米SiO2前后EP的紅外吸收，可知納米SiO2在1 395 cm- 1處的峰消失，同時(shí)EP材料中出現(xiàn)于1 628 cm-1處的δCO-H和1 405 cm-1處的δN-H的強(qiáng)度降低甚至消失，表明硅烷偶聯(lián)劑和改性納米SiO2與EP樹(shù)脂材料發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致δCO-H和δN-H吸收峰強(qiáng)度降低或者消失.

　　波數(shù)/cm-1

　　2.2納米SiO2添加量對(duì)EP熱穩(wěn)定性能的影響

　　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(guò)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(dāng)失重率相同時(shí)，隨SiO2含量的增加，復(fù)合樹(shù)脂對(duì)應(yīng)的溫度升高，表明其熱穩(wěn)定性增加.表2給出了不同試樣一定失重率對(duì)應(yīng)的溫度.

　　從圖2(b)所示DTG曲線可以看出，0#試樣有兩個(gè)峰值，這表明EP基體的分解可大致分為兩個(gè)步驟，這兩個(gè)失重峰對(duì)應(yīng)的分別是環(huán)氧樹(shù)脂基體的熱分解和裂解殘?zhí)嫉难趸痆13-14].隨著添加量的增加，第一個(gè)峰值逐漸變平緩直到最后消失，而失重速率最大時(shí)對(duì)應(yīng)的峰值溫度(見(jiàn)表2)則逐漸升高，這也表明隨添加量的增加，偶聯(lián)劑的官能團(tuán)和改性納米SiO2表面殘留的Si-OH與基體樹(shù)脂的官能團(tuán)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，從而提高了樹(shù)脂基體的“牢固度”[15].添加量越多，“牢固度”增加的程度越大，從而導(dǎo)致基體材料的熱穩(wěn)定性逐漸提高.

　　由于環(huán)氧樹(shù)脂及其固化劑含有較多的氧，因此盡管在惰性氣氛中進(jìn)行熱分解研究，但其裂解后的殘?zhí)苛繋缀跬耆В瑲堄噘|(zhì)量與添加在其中的SiO2量相一致[14].

　　2.3納米SiO2添加量對(duì)EP微觀形貌的影響

　　圖3為添加不同納米SiO2顆粒的SiO2/EP復(fù)合材料的微觀形貌圖譜.從圖3(a)中可以看出，未添加SiO2的試樣斷面較為粗糙;從圖3(b)～(e)可以看出，隨SiO2添加量的增加，其在EP中的分布由分散均勻，團(tuán)聚少(圖3(b) 和3(c))，逐步改為團(tuán)聚明顯，分散均勻性差(圖3(d) 和3(e)).當(dāng)添加量為4%時(shí)，納米SiO2均勻地分散在EP基體中，粒徑約為30 nm，對(duì)比原始SiO2尺寸，納米顆粒還存在微弱的團(tuán)聚現(xiàn)象.隨添加量的增加，納米SiO2團(tuán)聚現(xiàn)象明顯增加，當(dāng)添加量增加到16%時(shí)，納米顆粒出現(xiàn)嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象，這將影響其介電性能.這種團(tuán)聚一方面是由于納米顆粒有很高的比表面積，同時(shí)由于偶聯(lián)劑與納米SiO2顆粒表面Si-OH反應(yīng)得并不完全，導(dǎo)致納米顆粒表面仍存在Si-OH，這些官能團(tuán)彼此之間可以發(fā)生縮合反應(yīng)導(dǎo)致顆粒團(tuán)聚.

　　2.4納米SiO2添加量對(duì)EP基體介電性能的影響

　　2.4.1納米SiO2添加量對(duì)EP介電常數(shù)的影響

　　圖4為不同試樣的介電常數(shù)與測(cè)試頻率的關(guān)系曲線圖.從圖4可以看出，5組試樣的介電常數(shù)均隨著頻率的升高呈下降趨勢(shì).同時(shí)隨著納米SiO2添加量的增加，試樣的介電常數(shù)呈先降低后升高的趨勢(shì).當(dāng)添加量為4%時(shí)，試樣的介電常數(shù)具有最低值.

　　log(f/Hz)

　　析認(rèn)為，當(dāng)納米SiO2的添加量小于4%時(shí)，納米SiO2添加到樹(shù)脂基體后，形成了“ 核殼過(guò)渡層”結(jié)構(gòu)，以“核”作為交聯(lián)點(diǎn)使得復(fù)合材料的交聯(lián)度提高，其極性基團(tuán)取向活動(dòng)變得困難， 因而復(fù)合材料的介電常數(shù)下降.而當(dāng)納米SiO2的添加量大于4%時(shí)，納米SiO2本身介電性能較高的影響超過(guò)了其對(duì)樹(shù)脂基體極性基團(tuán)的“束縛”作用而產(chǎn)生了介電性能降低效應(yīng)，這就導(dǎo)致復(fù)合材料介電常數(shù)的增加.

　　2.4.2納米SiO2添加量對(duì)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(cè)試頻率的增加先升高后降低;隨著納米SiO2加入量的增多呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì).同一測(cè)試頻率下，當(dāng)納米SiO2的添加量為4%時(shí)，材料的介電損耗最低;當(dāng)納米SiO2的添加量為6%時(shí)，材料的介電損耗開(kāi)始增加;當(dāng)納米SiO2的添加量為16%時(shí)，材料的介電損耗接近純EP試樣的介電損耗.

　　分析認(rèn)為，復(fù)合材料的介電損耗取決于環(huán)氧樹(shù)脂極性基團(tuán)的松弛損耗和極性雜質(zhì)電導(dǎo)損耗的共同作用.加入納米SiO2后，一方面改性納米SiO2表面的官能團(tuán)可以與聚酰亞胺固化EP中的官能團(tuán)反應(yīng)，束縛了樹(shù)脂基體中極性基團(tuán)的運(yùn)動(dòng)，從而降低了松弛損耗;另一方面，改性后的納米顆粒表面不可避免地存在一些極性基團(tuán)，這些基團(tuán)同時(shí)增加了電導(dǎo)損耗，復(fù)合材料的介電損耗正是這二者共同作用的結(jié)果.當(dāng)納米SiO2的添加量小于6%時(shí)，試樣的松弛損耗的降低效果高于電導(dǎo)損耗的增加效果，所以試樣的介電損耗均比純EP的小.而當(dāng)納米SiO2的添加量為16%時(shí)，納米SiO2出現(xiàn)明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，這就導(dǎo)致松弛損耗的效果迅速降低，從而導(dǎo)致試樣總體的介電損耗接近純EP試樣.

　　3、結(jié)論

　　利用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)納米SiO2進(jìn)行表面改性，通過(guò)共混法制備了不同納米SiO2含量的SiO2/EP納米復(fù)合材料，研究了SiO2的添加對(duì)復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)、耐熱性和介電性能的影響.結(jié)論如下：

　　1 ) 當(dāng)納米SiO2含量在0～16%時(shí)，隨著納米SiO2含量的增加，SiO2/EP納米復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性逐漸升高.

　　2) SiO2/EP納米復(fù)合材料的介電性能隨著測(cè)試頻率的升高呈下降趨勢(shì).同一測(cè)試頻率下，隨著納米SiO2添加量的增加，試樣的介電常數(shù)呈先降低后升高趨勢(shì).

　　3)當(dāng)納米SiO2含量為4%時(shí)，復(fù)合材料的綜合性能最優(yōu).其耐熱性較好，介電性能最優(yōu)(頻率為1 GHz時(shí)，介電常數(shù)為2.86，介電損耗為0.023 53).

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