摘要
环氧树脂作为一种典型的热固性聚合物，具有良好的热稳定性、电绝缘性和粘结性，在热界面材料和电子封装领域拥有广泛的应用。然而，随着核心电子器件日趋高功率和高集成化发展，高热流密度散热问题成为制约微电子器件进一步发展的瓶颈，提高环氧树脂的导热性能对解决微电子芯片高热流密度散热问题具有重要意义。本文以无定型环氧树脂、交联型环氧树脂单链和金刚石/环氧树脂复合物为研究体系，采用分子动力学方法对本征型环氧树脂和填充型环氧树脂复合物的热导率强化机理进行模拟预测，主要开展研究工作如下： (1)为验证选取分子力场和计算方法的可行性，首先构建具有不同交联率的无定型环氧树脂模拟体系，采用非平衡态分子动力学模拟方法，研究交联率和温度对环氧树脂导热性能的影响。结果表明，随着交联率的增大，环氧树脂的热导率也随之增大，当交联率为89.06%时，环氧树脂的热导率可达0.23Wm-1K-1，比未交联体系提升77%。这可归因于交联反应增加了更多键连接，为热传输开辟新的路径；在300-400K温度范围内，温度对无定型环氧树脂的热导率影响并不显著，这是由于环氧树脂中存在大量缺陷很容易引起声子散射，这些缺陷造成的声子散射占据主导。本文的模拟预测值与实验测定的环氧树脂热导率值（0.1-0.3Wm-1K-1）具有较好的一致性，验证了本文所选取分子力场及模拟计算方法的可靠性。 (2)为探究交联型环氧树脂单链本征热导率的理论极限值，采用平衡态分子动力学模拟方法，揭示了链长、拉伸应变和交联剂结构对交联型环氧树脂单链热导率的影响规律。研究表明，单链热导率随链长的增大而逐渐增大，这是由于链长增加了声子的平均自由程。在施加不同拉伸应变作用下，发现拉伸可以有效提升环氧树脂单链热导率。通过振动态密度图谱对单链的拉伸形态进行分析，发现拉伸可以增大振动态密度图谱在低频区域的峰值，对单链热导率具有强化作用。短骨架和小分子官能团结构的交联剂，其组成交联型环氧树脂单链的热导率也越大，这是由于单链方向上振动模式会受到交联剂的分子基团干扰。 (3)为揭示不同纳米金刚石填充方式（变颗粒尺寸和颗粒数）对复合材料热导率的影响规律，以89.06%交联率的环氧树脂为基体构建金刚石/环氧树脂复合材料。采用非平衡态分子动力学模拟方法研究金刚石的尺寸大小和颗粒数对复合材料热导率的影响。研究表明，大颗粒的纳米颗粒填充对复合材料热导率的提升效果更为明显，当金刚石颗粒粒径为2nm时，复合材料的热导率可达到0.592Wm-1K-1，是纯环氧树脂的2.52倍。这是由于大尺寸颗粒挤压更多环氧树脂的自由运动空间，减少了声子散射。多颗粒填充形式下，复合材料的热导率呈现出先提升后下降的趋势，当金刚石填充质量分数为14.86%时，复合物的热导率达到最大值，为0.401Wm-1K-1。主要原因在于填充于环氧树脂中的颗粒处于随机分散状态，随着颗粒数的持续增多，复合物中纳米颗粒的比表面积更大，从而产生较大的界面热阻。
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