摘要
      在這項研究中，我們報導了一種可以用來制造摻入碳化硅納米線（SiC NWs）的環氧復合材料的簡單方法。 對環氧樹脂/ SiC NW復合材料的導熱性進行了深入的研究。 與3.0wt％填料相比，環氧/ SiC NW復合材料的導熱率可達到0.449 Wm-1 K-1，與純環氧樹脂相比，該復合材料的導熱性增強約106％。 相比之下，結合到環氧樹脂基體中的相同質量分數的碳化硅微米顆粒（SiC MPs）對導熱性能的改善較少。 該材料擁有如此優異的性能，主要歸因于碳化硅納米線中有效的熱傳導路徑的形成以及納米線和環氧基體之間的強相互作用。此外，環氧樹脂/ 碳化硅納米線復合材料的熱性能也有所改善。這些結果表明，我們開發了一種提高聚合物復合材料熱導率的新方法，其可以滿足電子設備快速發展的要求。

引言
      快速發展的電子行業專注于電子設備的小型化和輕量化。同時，電子設備的性能和多功能性已經與尺寸的減小相聯系。因此，高水平的電路集成導致高熱量，需要快速消散以使器件有效工作。環氧樹脂由于其優異的機械性能，熱穩定性和耐化學性，廣泛應用于航空航天，汽車和電子行業，起支撐和粘合作用。然而，純環氧樹脂的固有低熱導率（在室溫下僅為0.10 Wm-1 K-1）限制了其廣泛應用。為了克服這個問題，科學家們已經開發了各種改進導熱性的方法。傳統的方法是引入高含量的導熱填料，例如金屬、陶瓷顆粒、碳納米管或石墨烯納米片。碳化硅具有優異的性能，例如高導熱性，高熱穩定性，高擊穿場，優異的機械性能和化學惰性。因此，它可以應用于高溫，高電子密度，高頻，惡劣環境等各種環境中。碳化硅納米線（SiC NWs）的高縱橫比有利于在環氧樹脂中用作填料，以達到所需的性能。

      電子設備的有效冷卻熱源和散熱器的小熱膨脹系數（CTE）不匹配。 如今，熱源通常采用硅材料為主。銅和鋁是傳統的散熱材料，它與硅和絕緣陶瓷的匹配度極不相適，不能直接連接到沒有應力補償夾層的硅片上。 因此，在聚合物中加入增強填料可以滿足高導熱性和低的熱膨脹系數或熱變形參數（TDP，熱膨脹的指標）的潛在要求。它將滿足從微電子元件和器件到超級計算機對于熱管理和電子封裝應用的要求。

 

      據了解，到目前為止，僅有少數報道是關于環氧/ SiC NW復合材料應用的。因此，需要對熱管理或散熱的環氧樹脂/ SiC NW進行詳細的研究，不過目前還處于起步階段。 在這里，我們提出了一種制備環氧/ SiC NW復合材料的快速和簡單的策略。本研究中使用乙醇作為溶劑，將SiC NW與環氧樹脂均勻混合。隨后，將混合物在水浴中攪拌，加入固化劑得到環氧/ SiC NW復合材料。基于這種方法，可以容易地控制SiC NWs負載，復合材料中納米線的互連網絡不僅增強了其熱性能，而且保持了較低CTE性能。

環氧復合材料的制備

      通過以下步驟制備具有不同SiC NWs負載量的環氧復合材料

 

1、將所需量的Nd（III）acac加入脂環族環氧樹脂中，隨后在80℃下放置在三口燒瓶中攪拌2小時。

 

2、然后將均勻溶液冷卻至環境溫度。將所需量的（0.5,1.0,1.5,2.0,2.5和3.0wt％）的SiC NW分散在乙醇中，超聲波0.5小時，然后加入預定量的環氧樹脂中。

 

3、然后將所得混合物在80℃下在水浴中劇烈機械攪拌下置于燒杯中直到乙醇完全蒸發。將固化劑以100:95（環氧樹脂：固化劑）的比例加入到燒杯中并攪拌20分鐘。在真空烘箱中進一步脫氣10分鐘以除去氣泡。

 

4、后，將環氧樹脂與均勻分散的SiC NWs的混合物倒入模具中，在135℃固化2小時，165℃固化14小時。固化之后，將樣品自然冷卻至室溫，然后用砂紙打磨以進行不同的表征。

 

      為了便于比較，采用上述加工的程序也制造了具有SiC MP的環氧復合材料。為了方便起見，含有SiC NW和SiC MPs的復合材料分別表示為環氧/ SiC NW復合材料和環氧/ SiC MPs復合材料。

 

結果與討論

圖-1（a）SiC NWs的SEM圖像，SiC NW主要是直徑約為150?250nm的直線和交織的納米線。納米線的平均長度難以確定，但可以估計大量的長度超過120μm。（b）SiC MPs的SEM圖像，絕大多數具有平均尺寸的SiC MPs小于1μm （c）SiC NWs 的TEM圖像，顯示它了在銅網格上具有平滑表面，單個長且直的SiC NW直徑非常均勻，并且相當干凈，附著在其表面上的顆粒很少。（d）SiC MPs的TEM圖像，顆粒以0.1至2μm的均勻尺寸附著在一起 （e）SiC NWs的HR-TEM圖像，SiC NW是基于HR-TEM和SAED分析的β-SiC形式（f）SiC MP的HR-TEM圖像，在HR-TEM圖像中很難觀察到晶格，這表明SiC MP具有多晶結構。（e）和（f）的插圖中顯示了SiC NW和SiC MPs的SAED的圖像。

   圖-2（a）為直徑為189.3nm的單個SiC NW的AFM圖像; （b）為XRD圖案; SiC NWs的XPS光譜：（c）Si2p高分辨率結果（d）C1s高分辨率結果.

 

復合材料的顯微結構

 圖3：純環氧樹脂的SEM圖像：（a）和（b）；圖4（a，b）描繪了具有裂紋的條紋結構，其顯示出河流樣式，斷裂面的區域非常光滑，顯示復合材料是脆性熱固性聚合物。

 

      環氧樹脂/ SiC NW：（c）0.5wt％，（d）1.0wt％，（e）1.5wt％，（f）2.0wt％，（g）2.5wt％和（h）3.0wt％ ；隨著SiC NWs的增加，環氧復合材料的斷裂面顯示出顯著不同的斷裂圖形特征。圖3（g，h）表明，SiC NW均勻分散，幾乎沒有明顯的裸納米線，截面圖形非常平滑。建議納米線形成交聯網絡和環氧基體與納米線表面之間的強界面相互作用，可作為熱性能的關鍵因素。

 

      環氧/ SiC MPs復合材料：（i）0.5wt％，（j）1.0wt％，（k）1.5wt％，（l）2.0wt％，（m）2.5wt％和（n）3.0wt％。斷裂面區域存在一些裂紋。隨著環氧樹脂中SiC MPs的增加，可以觀察到較粗糙的斷裂面和多個曲折的凹陷和深裂紋。如圖3(k-n)所示。不同于填充有SiC NWs的環氧樹脂，SiC MPs從斷裂表面上清楚地突出，表明環氧基體與SiC MPs之間的周圍界面存在著相互作用。

 

純環氧樹脂及其復合材料的熱性能

  圖4：（a）為熱擴散率對SiC NWs或SiC MPs負載的依賴性（b）表示熱導率對SiC NWs或SiC MPs負載的依賴性。 隨著更多的SiC被引入，樣品的熱擴散率和電導率都呈單調增加，當負載分數從2.5增加至3.0wt％時，觀察到熱擴散率和熱導率的急劇增加（c）為與純環氧樹脂相比，具有3wt％填料的環氧復合材料的導熱系數（TCE）， 與純環氧樹脂相比，環氧樹脂/ SiC NW復合材料的熱導率顯著提高了106％（d）表示環氧復合材料的熱流模型。

圖5：（a）純環氧樹脂和環氧復合材料的導熱系數作為測試溫度的函數，在所示圖案中，復合材料的導熱系數為純環氧樹脂/ SiC MPs <環氧樹脂/ SiC NWs的順序。 純環氧樹脂和環氧復合材料：（b）DSC曲線，結果表明，填充在環氧基體中的SiC NWs或SiC MPs可以限制聚合物鏈的熱運動和聚合物片段在環氧樹脂的界面處的遷移率。（c）紅外圖像，觀察到隨著加熱時間的增加，樣品的表面變得越來越亮。特別是與環氧樹脂相比，環氧復合材料的顏色相當明亮。 60秒后，與環氧/ SiC MPs復合材料相比，環氧樹脂/ SiC NW的表面更亮。結果表明，環氧復合材料，特別是環氧樹脂/ SiC NW復合材料的散熱能力更好（d）加熱和冷卻時其表面溫度隨時間變化。與純環氧樹脂相比，環氧復合材料顯示更好的散熱行為。因此環氧樹脂/ SiC NW復合材料被證明是性能優異的。

  圖6：純環氧樹脂和環氧復合材料的TMA曲線：（a）熱應變曲線，（b）CTE曲線，所有曲線在溫度超過360K后顯示出明顯的平緩斜率，具有較低CTE值的材料具有較低的熱應變。（c）熱導率與CTE的比較，我們的樣品的CTE與其他納米線或顆粒增強聚合物復合材料相當或要低得多（d）環氧/ SiC NWs和環氧/ SiC MPs復合材料與各種工程材料的TDP。環氧樹脂/ SiC NW復合材料的載荷僅為1.1vol％，這低于填充在大體積分數填料中的大多數可用材料。

 

結論

總之，本文已經證明了制備環氧復合材料的簡便方法。 環氧樹脂/ SiC NWs復合材料與3wt％填料的熱導率為0.449 Wm-1 K-1，與純環氧樹脂相比增加了106％。 發現熱穩定性也具有一定程度的增強，并保持低的熱膨脹系數。這種具有顯著熱性能的復合材料在熱管理、電子封裝和其他電氣設備應用中至關重要。