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Journal of Ceramics
V ol.39 No.2
Apr. 2018第 39 卷 第 2 期2018 年 4 月
DOI：10.b.2018.02.022
Received date:2017-03-15. Revid date:2017-06-18.Correspondent author:SUN Haibin(1984-), male, Ph.D., Lecturer.E-mail:hbsun@sdut.edu
收稿日期：2017-03-15。 修订日期：2017-06-18。基金项目：山东省重点研发计划项目(2016ZDJS05A05)；山东省自然科学基金(ZR2017BEM033)；山东省西部经济隆起带和省扶贫开发重点区域引进急需紧缺人才项目(SF1404302001)。通信联系人：孙海滨(1984-)，男，博士，讲师。
六方氮化硼合成及其对导热硅橡胶性能的影响
张振昊 1
，
赵晓帆 2
， 孙海滨
3
(1. 莱芜亚赛陶瓷技术有限公司，山东 莱芜 271100；2. 莱芜市第一中学高三三级部六班，山东 莱芜 271100；
3. 山东理工大学 材料科学与工程学院，山东 淄博 255049)
万圣节快乐 英文摘 要：采用硼酸-三聚氰胺法合成了六方氮化硼(h-BN)粉体，研究了原料配比、煅烧温度对h-BN粉体物相组成、纯度、
结晶度和微观形貌的影响。将表面改性的h-BN粉体与硅橡胶复合，制备了氮化硼/硅橡胶复合材料，研究了h-BN加入量对复合材料导热性能和力学性能的影响。结果表明：当硼酸和三聚氰胺的摩尔比为3 : 1，煅烧温度为1950 ℃时，h-BN粉体具有较高的纯度、结晶性和产率；当h-BN加入量为2wt .%时，氮化硼/硅橡胶复合材料的热导率、拉伸强度和撕裂强度分别为0.24 W/(m · K)、9.45 MPa和18.48 MPa。
zhan
关键词：氮化硼；硅橡胶；导热性能；力学性能
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中图法分类号：TQ174.75 文献标识码： A 文章编号：1000-2278(2018)02-0244-04
怎么回答问题Synthesis of Hexagonal Boron Nitride and the Effect on Performances of
Thermal Conduction Silicone Rubber
ZHANG Zhenhao 1
2012高考语文试卷及答案, ZHAO Xiaofan 2
, SUN Haibin
3
(1. Laiwu Advanced Ceramic Technology Co., Ltd. Laiwu 271100, Shandong, China; 2. Class 6, Department 3, Grade 3, Laiwu No.1 Senior High School, Laiwu 271100, Shandong, China; 3. School of Materials Science and Engineering, Shandong University of
Technology, Zibo 255049, Shandong, China)
Abstract:Hexagonal boron nitride (h-BN) powders were synthesized via boric acid - melamine method. The effect of starting materials
proportion and calcining temperatures on the composition, purity, crystallinity and micromorphology of h-BN powders were rearched. Subquently, BN/silicone rubber composites were fabricated by adding h-BN powders into silicone rubber. The effect of h-BN addition amounts on thermal and mechanical performances were also rearched. The results show that h-BN powders with high purity, high crystallinity and high yield are obtained at calcination temepreture of 1950 ℃ and optimum starting materials molar ratio of boric acid : melamine = 3 : 1. The thermal conductivity, tensile strength and tear strength of BN/silicone rubber with 2wt .% h-BN addition reach up to 0.24 W/(m · K)、9.45 MPa and 18.48 MPa.
Key words:boron nitride; silicone rubber; thermal conduction; mechanical performance
0 引 言
绝缘导热聚合物可以在电绝缘情况下传递热量，在热交换工程、航空航天、电子电气工程等领域有着广泛的应用[1]。作为一种优良的绝缘导热聚合物，硅橡胶因具有较高的电绝缘性、导热性、低压易变形、密封性好等特点而备受关注[2-3]。不过，硅橡胶的热导率仍然偏低，无法满足高端领域
的需求。
六方氮化硼(h-BN)具有优异的导热性和绝缘性，将其作为硅橡胶的导热填料，可显著提高硅橡胶的导热性能[4-6]。不过，目前商业化的h-BN粉体大多存在纯度和结晶度偏低的问题。并且，h-BN 填料与硅橡胶的相容性较差，会导致硅橡胶的力学性能降低。
本文首先合成了高纯度和高结晶度的h-BN粉儿童故事mp3
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体，然后对其进行表面改性，最后制备了氮化硼/硅橡胶复合材料，并研究了其导热性能和力学性能。
1 实 验
1.1 实验过程
首先，按照一定摩尔比称取硼酸(淄博永泰达化工有限公司，分析纯)和三聚氰胺(郑州力迈化工产品有限公司，分析纯)，搅拌混料2 h； 然后，在80 ℃烘5 h；最后，在氮气气氛下煅烧，煅烧温度在1700-2000 ℃，保温时间为2 h。
对所制备的h-BN粉体进行表面改性。具体过程：首先，将粉体分散于浓度为5 mol/L的NaOH溶液中，在100 ℃搅拌10 h，经抽滤得到粉体，清洗至中性，烘干；然后，将粉体分散于甲苯中，加入硅烷偶联剂A151(沸点160 ℃)，在100 ℃搅拌2 h，经抽滤、干燥，得到表面改性的h-BN粉体；向硅橡胶原料中添加一定量的表面改性h-BN粉体，经搅拌、脱泡、硫化等流程[7]，得到氮化硼/硅橡胶复合材料。
1.2 性能测试
采用Rigaku D/MAX-2500PC型X射线衍射仪测试粉体的物相组成和衍射峰面积；采用日本日立SU-70场发射高分辨率扫描电镜观察粉体的形貌；采用标准GJB 507-1988《氮化硼化学分析方法》测试粉体的纯度；采用NETZSCH LFA 457 MicroFlash激光热导仪测试h-BN/硅橡胶复合材料的热导率；利用橡胶拉伸试验测试机、橡胶撕裂强度试验机(优鸿测控技术(上海)有限公司)测试氮化硼/硅橡胶复合材料的力学性能。
2 结果与讨论
2.1 原料配比对h-BN粉体物相组成和纯度的影响 以硼酸和三聚氰胺为原料，制备h-BN的化学反应如式(1)所示。
合成h-BN所需的硼酸和三聚氰胺的理论摩尔比为2 : 1，然而，在实际生产中硼酸在高温下易挥发，因此，一般添加过量的硼酸，以保证充足的硼酸参与反应。本实验选用的硼酸和三聚氰胺的摩尔比分别为2 : 1、3 : 1、4 : 1，将其在1950 ℃、氮气气氛下煅烧2 h。
图1给出了不同原料配比的h-BN粉体的XRD图谱。可以看出，产物的主要物相均为h-BN相。不过，当硼酸和三聚氰胺摩尔比为2 : 1和4 : 1时， 存在一些微弱的杂峰(图1a、图1c)。这可能是由于硼酸和三聚氰胺的量偏离化学摩尔比较大所造成的。当硼酸和三聚氰胺的摩尔比为3 : 1时，没有观察到杂峰(图1b)。这说明，当硼酸和三聚氰胺摩尔比为3 : 1时，实际参与反应的硼酸和三聚氰胺的量接近于理论摩尔比。
图2给出了不同原料配比的h-BN粉体的纯度。可以看出，随着硼酸和三聚氰胺的摩尔比由2:1增加到4 : 1，反应产物的纯度先增大后减小。当硼酸和三聚氰胺的摩尔比为3 : 1时，粉体的纯度最高，达到98.7%。综合考虑h-BN粉体的物相组成和纯度，确定硼酸和三聚氰胺的最佳摩尔比为3 : 1。2.2 煅烧制度对h-BN粉体物相组成和微观形貌的 影响
图3给出了当硼酸和三聚氰胺的摩尔比为3 : 1时，在不同煅烧温度制备的h-BN粉体的XRD图
图1 不同原料配比的h-BN粉体的XRD图谱
(硼酸和三聚氰胺的摩尔比a. 2 : 1; b. 3 : 1, c. 4 : 1)
Fig.1 XRD patterns of h-BN powders with different ratio of
starting materials(Molar ratio of boric acid and melamine
a. 2 : 1;
b. 3 : 1,
c. 4 : 1)
图2 不同原料配比的h-BN粉体的纯度
Fig.2 The purity of h-BN powders with different ratio of六级及格线
starting materials
10203040506070
* h-BN
*
*
(c)
(b)
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全国研究生考试时间(
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2 Theta (degree)
(a)
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The molar ratio of starting materials
melon是什么意思(boric acid : melamine
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张振昊 等：六方氮化硼合成及其对导热硅橡胶性能的影响
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谱。可以看出，经1700 ℃煅烧的试样的衍射峰宽度较大，而且衍射峰强度较弱，这说明煅烧温度较低，反应还不充分，粉体结晶性较差。当煅烧温度为1950 ℃时，产物的主要物相h-BN，衍射峰的衍射强度逐渐增大，这说明随着煅烧温度的升高，粉体的结晶程度增强。当煅烧温度为2000 ℃时，产物仍为结晶良好的h-BN。
石墨化指数(GI)是表征物质的结晶性的一种参数。石墨化指数越小，表明其结晶性越好。石墨化指数可以由公式(2)计算。
式中，Area(100)、Area(101)、Area(102)分别代表相应晶面衍射峰对应的积分面积。经计算可知，1700 ℃、1950 ℃和2000 ℃煅烧产物的石墨化指数分
别为11.41、7.86和6.31。这说明，经1950 ℃和2000 ℃煅烧所合成的h-BN粉体均具有较高的结晶度。
图4给出了在不同煅烧温度制备的h-BN粉体的SEM图。可以看出，h-BN粉体均呈现出发育良好的片状形貌，其中，1950 ℃煅烧反应产物的晶粒尺寸约为5 μm ，2000 ℃煅烧反应产物的最大晶粒尺寸超过了10 μm 。通过石墨化指数和晶粒尺寸均可说明2000 ℃煅烧产物具有更高的结晶度，但在实验过程中却发现其产率比1950 ℃煅烧产物的产率低。因此，确定最佳煅烧温度为1950 ℃。2.3 h -BN加入量对硅橡胶复合材料导热性能和 力学性能的影响
本实验向硅橡胶中添加h-BN，所采用的h-BN 粉体经1950 ℃煅烧而成，纯度为98.7%，平均晶粒尺寸约为5 μm ，石墨化指数为7.86，具有较高结晶度。图5给出了h-BN加入量对硅橡胶复合材料热导率的影响。可以看出，随着h-BN加入量由0wt .%
增加到7.0wt .%，硅橡胶复合材料的热导率逐渐增加，由0.09 W/(m · K)增加到0.47 W/(m · K)。这是因为h-BN的热导率高于有机硅橡胶，并且改性后的h-BN粉体能够与有机硅橡胶良好兼容并均匀分散。 图6给出了h-BN加入量对硅橡胶复合材料力学性能的影响。可以看出，随着h-BN加入量由0wt .
%增加到7.0wt .%，硅橡胶复合材料的拉伸强度先快速降低，再趋于平缓，呈缓慢降低趋势；撕裂强度则呈现先增大后减小的趋势。h-BN加入量过多会降低硅橡胶复合材料的力学性能。综合考虑，确定
图4 不同煅烧温度所制备的h-BN粉体的SEM图
(a. 1950 ℃，b. 2000 ℃)
Fig.4 SEM images of h-BN powders calcined at different temperatures
(a.1950 ℃，b. 2000 ℃)
图5 h-BN加入量和硅橡胶复合材料热导率的关系Fig.5 The effect of addition amount of h-BN on thermal
conductivity of silicone rubber composites
(a)
(b)
3 μm
3 μm
T h e r m a l c o n d u c t i v i t y (W /(m .K ))
Addition amounts of h-BN (wt.%)
图3 在不同煅烧温度制备的h-BN粉体的XRD图谱
Fig.3 XRD patterns of h-BN powders calcined at different temperatures
I n t e n s i t y (a .u .)
2 Theta (degree)
()()[]()102Area 101100Area G I
+=GI (2)
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h-BN的最佳加入量为2wt .%。在该条件下制备的氮化硼/硅橡胶复合材料的热导率、拉伸强度和撕裂强度分别为0.24 W/(m · K)、9.45 MPa和18.48 MPa。
3 结 论里克福克斯
研究了原料配比、煅烧制度对h-BN粉体物相组成、纯度、结晶度和微观形貌的影响，以及表面改性h-BN加入量对氮化硼/硅橡胶复合材料导热性能和力学性能的影响。结果表明：硼酸和三聚氰胺的最佳摩尔比为3 : 1，最佳煅烧温度为1950 ℃；氮化硼/硅橡胶复合材料中h-BN的最佳加入量为2wt .%，在该条件下制备的氮化硼/硅橡胶复合材料具有优良的热导率、拉伸强度和撕裂强度。
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Addition amounts of h-BN (wt.%)
T e n s i l e s t r e n g t h (M P a )
Tear strenght (MPa)
图6 h-BN加入量和硅橡胶复合材料力学性能的关系Fig.6 The effect of addition amount of h-BN on mechanical
performance of silicone rubber composites
张振昊 等：六方氮化硼合成及其对导热硅橡胶性能的影响
