本發(fā)明屬于導熱絕緣材料，具體涉及一種氮化硅高導熱絕緣復合材料及其制備方法。

背景技術：

1、母線槽連接器作為母線系統(tǒng)通道部分連接上下級母線槽、配電箱柜間的適配器，一般由螺母連接的連接蓋、連接蓋內的多層銅排組成，銅排以絕緣板安裝及形成電氣絕緣，以使母線槽母排可接入相鄰銅排之間電連接。由于連接器與母線槽的連接部分會引入接觸電阻，電流通過接頭時產生較大的熱量，當接頭處溫度堆積過高無法散發(fā)出去，較高的接觸電阻和熱量則可能會降低母線槽系統(tǒng)的效率，甚至會影響母線槽的耐久性和安全性，導致火災風險，因此提高絕緣板材料的導熱性能、介電性能，對提高母線系統(tǒng)的安全性和傳輸性能具有重要意義。

2、現(xiàn)有母線槽絕緣板的高導熱絕緣材料一般為陶瓷基或鋁基材料，導熱率僅為0.3w/m·k左右，為進一步提高材料的導熱性能，會進一步在材料體系中添加氮化硼、石墨、碳納米管、氮化硅等導熱填料，氮化硅(si3n4)作為一種高溫時抗氧化、能抵抗冷熱沖擊、耐熱沖擊性好的材料，加入材料中還有利于提高材料的高介電常數和低介電損耗的特性，例如：

3、專利cn112661518b公開的一種高導熱氮化硅陶瓷絕緣板及其制備方法，將氮化硅粉末與多種燒結助劑、溶劑和粘結劑混合制漿后，經過造粒粉、壓制、排膠和燒結成型，能夠達到較高的抗彎強度和導熱性能，但材料中固含量較大，受到較大壓應力、熱膨脹應力時容易出現(xiàn)裂紋或開裂，斷裂韌性、介電性能和穩(wěn)定性不佳，同時需要長時間高溫燒結成型，生產能耗和成本較大，因此，制造導熱性能優(yōu)異、電絕緣性能和絕緣材料韌性更好、制備方法更簡單的氮化硅絕緣復合材料還存在以下技術難點：

4、一、pc、環(huán)氧樹脂等樹脂基材料具有較好的機械性能、耐高溫性能和電絕緣性能，且能夠使材料尺寸更穩(wěn)定、對降低加工難度有利，但導熱性能相對較差，以氮化硅作為導熱添料復合時，由于氮化硅顆粒具有較高的表面能、分散性和相容性較差，將增加界面空隙，引起基體粒子與基體間界面的熱阻，降低復合材料的導熱性和熱穩(wěn)定性，以提高分散性能為目的，降低氮化硅含量也會導致材料導熱性能的損失。

5、二、使用較小粒徑的氮化硅添料填充能夠提高材料的導熱性能，但單一粒徑的氮化硅填充量和導熱接觸面有限，導致傳遞熱量的效率有限，進一步提高導熱填料的填充量不僅對材料導熱性能的提升有限，且會導致材料機械變差、斷裂韌性明顯下降，將導致裂紋或開裂現(xiàn)象，進一步影響散熱性能和安全性。

6、三、環(huán)氧樹脂等聚合物絕緣材料雖然具有較好的介電性能，但在高溫加工過程中會發(fā)生少量分解或成核，影響制品色度，同時隨著制造溫度的增加，結晶度較高時會成為應力集中點，導致缺口敏感性增大、沖擊韌性和成型收縮率增大，對提高絕緣材料的抗彎強度、斷裂韌性不利，產生裂紋就會影響絕緣性，進而影響設備正常使用和安全。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述技術問題之一，本發(fā)明提供一種氮化硅高導熱絕緣復合材料及其制備方法，能夠降低制造難度和成本、兼顧材料的高導熱性和抗彎強度，進一步提高復合材料的斷裂韌性和介電性能，進而有效的解決母線槽接頭處因電阻較大導致的溫度較高的問題，提高設備的耐久性和安全性。

2、本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

3、一種氮化硅高導熱絕緣復合材料的制造方法，其制造方法包括：

4、步驟一、用表面改性偶聯(lián)劑對納米氮化硅和蒙脫土進行表面改性獲得改性無機填料，納米氮化硅與蒙脫土的質量比為(4～7)：(1～2)；

5、步驟二、取均聚甲醛、引發(fā)劑、抗氧化劑和脫模劑共混為糊狀樹脂，向糊狀樹脂加入氮化硅纖維、改性無機填料并混勻為樹脂混合物，糊狀樹脂、氮化硅纖維和改性無機填料的質量比為(1～2)：(1～2)：(3～8)；

6、步驟三、將樹脂混合物加入預熱的模具中，在175～210℃下加熱加壓至固化成型后，脫模得到復合絕緣材料成品。

7、上述制造方法中：

8、納米氮化硅(si3n4)作為一種高溫時抗氧化、能抵抗冷熱沖擊、耐熱沖擊性好的納米材料，加入材料中還有利于提高材料的高介電常數和低介電損耗的特性，蒙脫土作為一種具有天然納米結構的無機硅酸鹽，能夠提高復合材料的韌性和耐熱性能，隨著蒙脫土含量的增加，材料韌性和制品尺寸穩(wěn)定性提升，進一步采用表面改性偶聯(lián)劑處理納米氮化硅和蒙脫土，可以包覆改善無機填料與糊狀樹脂的相溶性，提高界面結合力，降低基體粒子與基體間界面的熱阻，增加復合材料的導熱性能，并避免團聚現(xiàn)象，減少材料空隙，實現(xiàn)高填充，使得分散的改進無機填料能夠與基體界面產生良好的應力傳遞，進而改善制品的機械性能、加工性能，綜合提高復合材料的熱穩(wěn)定性、導熱性能和斷裂韌性，因此優(yōu)選納米氮化硅與蒙脫土的質量比為(4～7)：(1～2)。

9、均聚甲醛相較環(huán)氧樹脂、abs樹脂、pc等高分子絕緣熱塑性材料，導熱性在熱塑性或熱固性塑料中較為優(yōu)良，具有較好的介電性能，有利于與無機改性填料和氮化硅纖維提高復合絕緣材料的導熱性，同時均聚甲醛的加工制作更加容易簡便，具有延展強度、抗疲倦強度、機械強度、蠕變很小更高、難燃化的優(yōu)勢，特別是剛性和強度，有利于通過加熱加壓模制替代燒結加工，降低加工難度和成本，用抗氧化劑抑制均聚甲醛在高溫加工過程中會發(fā)生分解和成核，脫模劑的添加用于提高產品固化后的脫模性能，消除模垢，提高生產率，通過引發(fā)劑搭建有效鍵合，但均聚甲醛加工過程中的結晶度較高、結晶速率較快，而納米氮化硅的傳遞熱量有限：

10、一方面，以性能優(yōu)良的均聚甲醛的糊狀樹脂為基體，以改性無機填料和氮化硅纖維進一步提高材料的導熱性能，相較于單一粒徑的氮化硅填充量，可以使氮化硅的堆積更為緊密，在材料內部形成不同尺寸的層次結構，使納米氮化硅、蒙脫土和氮化硅纖維之間形成橋接作用，有效增加導熱網鏈，從而提高導熱性能，彌補降低粒狀氮化硅含量帶來的導熱性能損失，又能改善改性無機填料的分散性能，有利于提高介電性能，更適用于通過加熱加壓固化成型，來降低制造難度和成本。

11、另一方面，為了減少結晶作為應力集中對韌性的不利影響，樹脂混合物中通過均聚甲醛的糊狀樹脂與氮化硅纖維復配，可以增加需承擔更多的載荷，氮化硅纖維能有效地分散應力，填充材料中的微裂紋，進而改善材料的抗拉強度和斷裂韌性，同時通過與無機改進填料和氮化硅纖維復配，避免結晶度增加而導致收縮率增加，對提高成型尺寸精度有利。

12、樹脂混合物的配比設計依據包括：糊狀樹脂可以保持材料導熱性和絕緣性，但含量過低則導致加工性能較差，含量較高則價格高、制作難度增加，會引起一定程度的導熱率損失；隨著改進無機填料含量的增加，使得均聚甲醛中的分子間距增加，復合材料中的極性基團的偶極趨向增加，可以增加介電常數，進而提高高溫下的絕緣性能，但改進無機填料含量過高也會導致成核作用增加、形成大球晶而增加制品的缺口敏感性、引起成型收縮率增大，對降低制造復合材料的制造難度不利；氮化硅纖維可以增加材料韌性和導熱性，但配比過低則韌性提升有限，但配比過高則會導致復合出料結合不夠致密，致使導熱率降低，因此優(yōu)選糊狀樹脂、氮化硅纖維和改性無機填料的質量比為(1～2)：(1～2)：(3～8)。

13、相較于燒結制造，加熱加壓模制無需加工至上千度，且能夠在短時間內成型，有利于提高加工效率、降低加工難度和成本，同時由于均聚甲醛對溫度的敏感性，加熱加過程中，進一步控制加熱溫度，可以避免分解，改善復合材料的力學性能。

14、在優(yōu)選的實施例中，所述表面改性偶聯(lián)劑為酞酸酯偶聯(lián)劑kr-12、長鏈硅烷偶聯(lián)劑kh-3116或硅烷偶聯(lián)劑zj-308中的一種或多種，表面改性偶聯(lián)劑的選擇依據包括：酞酸酯偶聯(lián)劑kr-12作為酞酸酯偶聯(lián)劑，可降低體系粘度、具有較好的分散和防沉效果，對無機填料能與極性聚合物具有較好的相容性，對于降低改性溫度和處理時間有利；硅烷偶聯(lián)劑kh-3116作為一種長鏈硅烷偶聯(lián)劑，可溶于有機物，用作無機超細粉體的表面修飾，能改善其與有機物的相容性，對增加增強制品的機械性能和包裹性能有利；硅烷偶聯(lián)劑zj-308作為一種單官能團硅烷，具有較高的反應活性，可以通過親水基團與納米氮化硅和蒙脫土發(fā)生化學吸附，來改變表面并降低粘度。

15、所述表面改性偶聯(lián)劑的用量依據納米氮化硅和蒙脫土的比較面積設定，在優(yōu)選的實施例中，所述表面改性偶聯(lián)劑質量為納米氮化硅和蒙脫土總質量的4.5％～8％。

16、在優(yōu)選的實施例中，所述步驟一中納米氮化硅和蒙脫土的表面改性方法包括：

17、取表面改性偶聯(lián)劑與溶劑加熱混溶，加入納米氮化硅和蒙脫土后，在40～80℃下攪拌回流1～2h，取回流底物進行高速離心和洗滌，烘干后得到改性無機填料。

18、納米氮化硅和蒙脫土的表面改性過程中，溶劑優(yōu)選二甲基甲酰胺(dmf)或乙醇，可以進一步控制攪拌回流溫度，促進納米氮化硅和蒙脫土均勻分散在表面改性偶聯(lián)劑中充分反應，溫度過高或過低易導致偶聯(lián)劑失效或反應速率過慢。

19、在優(yōu)選的實施例中，所述引發(fā)劑為有機過氧化物tbpo和tbec中的一種或兩種組合，有機過氧化物tbpo和tbec能夠協(xié)同作用，用于通過過氧基分裂為自由基，引發(fā)偶聯(lián)。

20、在優(yōu)選的實施例中，所述引發(fā)劑質量為均聚甲醛質量的0.1％～0.5％。

21、在優(yōu)選的實施例中，所述抗氧化劑為抗氧化劑1010、抗氧劑1076、抗氧化劑168中的一種或多種，抗氧化劑的的選擇依據包括：抗氧劑1010和抗氧化劑1076作為一種高分子量受阻酚類抗氧化劑，具有熱穩(wěn)定性高、持效性長，不著色，不污染、無毒的優(yōu)勢，與均聚甲醛具有較好的相容性，抗氧化劑168作為亞磷酸酯抗氧劑，可以提高均聚甲醛熱加工過程的熱穩(wěn)定性，減少對模具的腐蝕，抗氧化劑1010或抗氧化劑1076與抗氧化劑168具有顯著的協(xié)同效應，能有效地防止均聚甲醛在加熱加壓的熱氧化降解，能改善復合材料在高溫加工條件下的耐變色性。

22、在優(yōu)選的實施例中，所述抗氧化劑質量為均聚甲醛質量的0.1％～0.2％。

23、在優(yōu)選的實施例中，所述脫模劑為硬脂酸鋅或乙撐雙硬脂酸酰胺中的一種或兩種，脫模劑中，硬脂酸鋅具有較好的耐熱性和應力性較好的優(yōu)勢，乙撐雙硬脂酸酰胺具有耐溫性能好，對均聚甲醛潤滑性能好的優(yōu)勢，可以改善糊狀樹脂的流動性，可改善氮化硅纖維和改性無機填料在糊狀樹脂中的分散性和偶連性，硬脂酸鋅與乙撐雙硬脂酸酰胺兩者混合使用具有較好的協(xié)同作用。

24、在優(yōu)選的實施例中，所述脫模劑質量為均聚甲醛質量的3％～5％。

25、在優(yōu)選的實施例中，所述步驟二中，將均聚甲醛、引發(fā)劑、抗氧化劑和脫模劑在30～50℃下攪拌。

26、在優(yōu)選的實施例中，所述氮化硅纖維的直徑為5～15微米，長度為4-8mm。

27、所述步驟三中，加壓壓力過高或過低則會影響最終產品的晶相組成以及致密性和機械性能，在優(yōu)選的實施例中，所述模具的預熱溫度為150-175℃，加壓至17-30mpa。

28、一種氮化硅高導熱絕緣復合材料，所述復合材料由上述任意一項所述氮化硅高導熱絕緣復合材料的制造方法制造獲得。

29、上述氮化硅高導熱絕緣復合材料的用途，其特征在于，包括將氮化硅高導熱絕緣復合材料用于制造母線槽連接器的絕緣板，絕緣板的彎曲強度＞395mpa，斷裂韌性＞10mpa/m0.5，導熱率＞25w/m·k，體積電阻率＞1013ω·cm。

30、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果至少在于：

31、(1)本發(fā)明以導熱性更好的均聚甲醛的糊狀樹脂為絕緣基體，用表面改性偶聯(lián)劑對納米氮化硅和蒙脫土進行表面改性，可以包覆改善無機填料與糊狀樹脂的相溶性，提高界面結合力，一方面，用改性無機填料中的納米氮化硅提高材料的介電性能，實現(xiàn)高填充，充分發(fā)揮導熱性能；另一方面，用改性的納米氮化硅與蒙脫土共同作用，能使得分散的改進無機填料能夠與基體界面產生良好的應力傳遞，改善材料的機械性能和斷裂韌性，同時使得均聚甲醛中的分子間距增加，復合材料中的極性基團的偶極趨向增加，進而提高高溫下的絕緣性能，解決介電性能、導熱性能與材料機械性能難以兼顧的問題。

32、(2)本發(fā)明的糊狀樹脂與改性無機填料和氮化硅纖維復配，較單一粒徑的氮化硅填充，一方面，采用改性納米級粒子與纖維狀氮化硅添加，在材料內部可以形成不同尺寸的層次結構，使氮化硅的堆積更為緊密，有效增加導熱網鏈，彌補降低粒狀氮化硅含量帶來的導熱性能損失；另一方面，通過氮化硅纖維有效地分散應力，改善材料的抗拉強度和斷裂韌性，避免結晶度增加而導致收縮率增加，對提高成型尺寸精度有利，解決導熱性能與高斷裂韌性難以兼顧的問題。

33、(3)本發(fā)明的組成成分相對較為簡單，同時相較于燒結制造，本發(fā)明更適合溫度敏感性較高的均聚甲醛加工，能夠在更低的溫度下短時間內成型，并用引發(fā)劑搭建有效鍵合，用抗氧化劑抑制均聚甲醛在高溫加工過程中會發(fā)生分解和成核，用脫模劑提高產品固化后的脫模性能，有利于提高加工效率、降低加工難度和成本，能夠進一步提高復合材料的斷裂韌性，提高工業(yè)適應性，進而有效的解決母線槽接頭處因電阻較大導致的溫度較高的問題，提高設備的耐久性和安全性。