導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料研究進(jìn)展

孔嬌月,陳立新,蔡聿鋒

(西北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系,陜西西安710129)

導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料研究進(jìn)展

孔嬌月,陳立新＊,蔡聿鋒

(西北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系,陜西西安710129)

在介紹金屬材料、無機(jī)非金屬材料以及高分子材料導(dǎo)熱機(jī)理的基礎(chǔ)上,介紹了導(dǎo)熱填料填充高分子復(fù)合材料的導(dǎo)熱網(wǎng)鏈機(jī)理和熱彈性組合機(jī)理2種導(dǎo)熱機(jī)理,該理論可以解釋導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料導(dǎo)熱過程中不同的現(xiàn)象和規(guī)律;歸納了適用于粒子、纖維等填充的聚合物基復(fù)合材料的各種導(dǎo)熱模型;討論了樹脂基體、導(dǎo)熱填料和溫度對于高分子復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響。

導(dǎo)熱高分子;復(fù)合材料;導(dǎo)熱機(jī)理;導(dǎo)熱模型;影響因素

0 前言

隨著工業(yè)進(jìn)步和社會發(fā)展,科學(xué)技術(shù)在自身不斷發(fā)展和完善的同時(shí)為工業(yè)化飛速發(fā)展提供了強(qiáng)有力的保障。在材料科學(xué)領(lǐng)域,越來越多的高性能功能化材料應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。導(dǎo)熱性能作為材料很重要的物理性能越來越多地被提及,而導(dǎo)熱材料也廣泛應(yīng)用于換熱工程、采暖工程、電子信息工程等領(lǐng)域。長期以來,使用最多的導(dǎo)熱材料為金屬材料,但是隨著應(yīng)用的不斷擴(kuò)大,人們對導(dǎo)熱材料提出了新的要求,希望材料具有優(yōu)良的綜合性能,如耐化學(xué)腐蝕、耐高溫、優(yōu)異的電絕緣性。具有導(dǎo)熱功能的高分子復(fù)合材料就是能滿足上述要求的一種可選材料,因而成為研究的一個(gè)重要方向。

1 導(dǎo)熱機(jī)理

熱傳導(dǎo)過程采取擴(kuò)散形式,但各種材料的導(dǎo)熱機(jī)理是不同的。儲九榮等[1]對材料的導(dǎo)熱機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)的討論。固體內(nèi)部的導(dǎo)熱載體分別為電子、聲子(點(diǎn)陣波)、光子(電磁輻射)[2]3種。對聚合物而言,通常為飽和體系,無自由電子,導(dǎo)熱載體為聲子,熱傳導(dǎo)主要依靠晶格振動。聚合物相對分子質(zhì)量很大,具有多分散性,分子鏈則以無規(guī)則纏結(jié)方式存在,難以完全結(jié)晶,再加上分子鏈的振動對聲子有散射作用[3],使聚合物材料的熱導(dǎo)率很小,如表1所示[1]。要使聚合物具有更好的熱導(dǎo)率,可通過以下2種方式進(jìn)行改性:(1)合成具有高熱導(dǎo)率的聚合物;(2)用高熱導(dǎo)率物質(zhì)填充聚合物,制備聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料。生產(chǎn)實(shí)踐中通常采用添加高熱導(dǎo)率填料的方式來提高高分子材料的熱導(dǎo)率,得到導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料。

表1 一些高分子材料的熱導(dǎo)率Tab.1 Thermal conductivity of some polymers

1.1 導(dǎo)熱網(wǎng)鏈機(jī)理

填料的熱導(dǎo)率及其在聚合物基體中的分布形式?jīng)Q定了整個(gè)復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。當(dāng)填料的填加量較少時(shí),填料在基體中以近似孤島形式分布,為分散相,被聚合物包覆,形成類似于聚合物共混體系中的“海 -島”結(jié)構(gòu)。當(dāng)填料的填充量達(dá)到某一臨界值時(shí),填料之間會相互接觸,形成導(dǎo)熱網(wǎng)鏈。隨著填充量的增加,導(dǎo)熱網(wǎng)鏈相互貫穿,復(fù)合材料導(dǎo)熱性能顯著提高[4-5]。

這就如同一個(gè)簡單的電路,基體和填料分別看作2個(gè)熱阻。當(dāng)填充量較小時(shí),不能形成導(dǎo)熱網(wǎng)鏈,從熱流方向來看,基體和填料相當(dāng)于是串聯(lián)的熱阻,阻值越大,導(dǎo)熱性越差;當(dāng)填充量較大時(shí),填料之間相接觸,形成導(dǎo)熱網(wǎng)鏈,導(dǎo)熱網(wǎng)鏈熱阻小,此時(shí)基體和填料在熱流方向上相當(dāng)于并聯(lián),導(dǎo)熱網(wǎng)鏈在熱量傳遞過程中起主導(dǎo)作用[6],如圖1所示。Agari模型即是以導(dǎo)熱網(wǎng)鏈機(jī)理為基礎(chǔ)的。

圖1 熱流垂直和平行傳導(dǎo)示意圖Fig.1 Diagram of series and parallel conduction

1.2 熱彈性組合增強(qiáng)機(jī)理

李賓等[7]以熔融共混法制備聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料,研究了復(fù)合材料熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率隨填料品種、粒徑等因素的變化規(guī)律及內(nèi)在原因。研究結(jié)果顯示復(fù)合體系熱導(dǎo)率隨填料含量的增加始終呈逐步上升趨勢,未表現(xiàn)出電導(dǎo)率那樣的急劇變化;在相同填充量時(shí),復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨粒徑的減小而減小,與電導(dǎo)率隨粒徑變化規(guī)律相反。這種差異主要是二者具有不同傳導(dǎo)機(jī)理,文中通過熱彈性復(fù)合增強(qiáng)機(jī)制解釋了這一變化規(guī)律。根據(jù)固體物理學(xué)理論,聲子是人為量化的固體點(diǎn)陣振動格波,與電子這一實(shí)體物質(zhì)粒子的運(yùn)動和傳遞存在實(shí)質(zhì)性的差異。導(dǎo)電過程是自由電子的定向運(yùn)動和傳導(dǎo)過程,因此形成傳導(dǎo)路徑非常重要。通過分析各種無機(jī)物的熱物性變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)[8],材料熱導(dǎo)率的變化與經(jīng)典振動和彈性力學(xué)中的彈性模量非常類似,因此可將材料的熱導(dǎo)率看作是聲子(即熱振動)傳遞過程的彈性模量。類似地,導(dǎo)熱填料填充的聚合物基復(fù)合材料熱導(dǎo)率的增大可以看成高熱導(dǎo)率的填料對低導(dǎo)熱率的基體的復(fù)合(組合增強(qiáng)作用),如圖2所示,復(fù)合材料的熱導(dǎo)率用式(1)表述。

圖2 導(dǎo)熱填料填充復(fù)合材料的熱振動增強(qiáng)示意圖Fig.2 Diagram of thermal vibration enhancing of composites filled with heat conductive fillers

式中 λ——復(fù)合材料的熱導(dǎo)率,W/(m·K)

λi——各組分的熱導(dǎo)率,W/(m·K)

Vi——各組分的體積分?jǐn)?shù),%

G——填料的分布函數(shù)

I——填料與基體的界面參數(shù)

導(dǎo)熱填料粒徑大小對復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響機(jī)理如圖3所示,粒徑越小,則粒子數(shù)目越多,在同樣傳導(dǎo)路程內(nèi),遇到的填料-基體二相界面越多,聲子散射越嚴(yán)重,因此較大粒徑粒子填充的復(fù)合材料的熱損失少,如式(2)所示。

圖3 導(dǎo)熱填料粒徑對復(fù)合材料熱振動傳遞的影響示意圖Fig.3 Diagram of influence of filler size on thermal vibrating transfer of composites

式中 λ1——樹脂基體的熱導(dǎo)率,W/(m·K)

λ2——導(dǎo)熱填料的熱導(dǎo)率,W/(m·K)

V——填料的體積分?jǐn)?shù),%

Ii——填料與基體的等效界面系數(shù)

實(shí)驗(yàn)中測得的填充型高分子復(fù)合材料熱導(dǎo)率的變化規(guī)率,有些用導(dǎo)熱網(wǎng)鏈理論難以解釋,而熱彈性組合增強(qiáng)機(jī)理可以合理解釋。

2 導(dǎo)熱模型

對于填充型高分子材料,除了導(dǎo)熱機(jī)理的研究,許多研究者也提出了不少導(dǎo)熱模型對不同形狀填料(粉末、粒子、纖維等)填充的兩相體系導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱率進(jìn)行預(yù)測 ,如 Maxwell-Eucken、Bruggeman、Nielsen 和Cheng-Vochen的兩相模型理論以及其他一些模型理論如 Russell、Jefferso和 Peterson等。

2.1 Maxwell-Eucken方程

Maxwell采用勢理論推導(dǎo)了在均勻連續(xù)介質(zhì)中隨機(jī)分布球形粒子填充復(fù)合材料的電導(dǎo)率計(jì)算公式,Eucken在其基礎(chǔ)上將電導(dǎo)率換為熱導(dǎo)率,得到Maxwell-Eucken方程[9],如式(3)所示。

式中V2——分散相粒子的體積分?jǐn)?shù),%

Maxwell模型是最早的導(dǎo)熱模型,在體系的填料量比較低時(shí),這個(gè)模型能夠很好地預(yù)測其熱導(dǎo)性,但在分散相含量較高時(shí),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)則與理論曲線有較大差異。出現(xiàn)這種差異的原因是Maxwell模型推導(dǎo)的前提就是分散相粒子在基體中極稀分散。

2.2 Bruggeman方程

Bruggeman在研究中發(fā)現(xiàn),導(dǎo)熱填料粒子的含量很高時(shí),粒子間會出現(xiàn)相互堆積和相互作用。它采用微分的方法,對微小的增加量dV,推導(dǎo)出 Maxwell方程的微分形式[10],如式(4)所示,對式(4)積分得Bruggeman方程,如式(5)所示。

2.3 Cheng-Vochen模型

在 Tsao的概率模型[11]基礎(chǔ)上,Cheng[12]假定填料的分布服從高斯分布,分布常數(shù)為基體相體積分?jǐn)?shù)的函數(shù),然后根據(jù)分布函數(shù)預(yù)測復(fù)合材料的熱導(dǎo)率,模型的公式如式(6)～(8)所示。

2.4 Nielsen模型

Nielsen應(yīng)用求解復(fù)合材料性能的常用公式 Halpin-Tsai作為復(fù)合材料熱導(dǎo)率經(jīng)驗(yàn)方程,如式(9)～(12)所示。

式中KE——愛因斯坦系數(shù)

A——與粒子的形態(tài)和取向方式有關(guān)的常數(shù)

φ——與各組分熱導(dǎo)率有關(guān)的常數(shù)

Φ——與粒子的最大堆積體積百分?jǐn)?shù)Vm有關(guān)

Vm——分散粒子最緊密堆砌時(shí)的粒子體積百分?jǐn)?shù),%

A和Vm在文獻(xiàn)中有許多建議值。Nielsen模型考慮了粒子間的相互作用及填料粒子在聚合物基體中的聚集態(tài)和取向方式,因此也適用于短切纖維填充的導(dǎo)熱復(fù)合材料[13]。

2.5 Agari模型

考慮到高填充量時(shí),粒子間彼此接觸發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象形成導(dǎo)熱鏈以及填充粒子對聚合物形態(tài)的影響(粒子能影響聚合物結(jié)晶度和結(jié)晶尺寸,從而改變聚合物的熱導(dǎo)率),Agari等提出了一種新的理論模型,該模型引入了本文前面提到的平行和垂直(熱阻并聯(lián)和串聯(lián))傳導(dǎo)機(jī)理。認(rèn)為在填充的聚合物體系中,如果填料粒子聚集形成的導(dǎo)熱網(wǎng)鏈與聚合物連續(xù)相在熱流方向上是平行的(并聯(lián)),則此時(shí)復(fù)合材料的熱導(dǎo)率最高,熱導(dǎo)率公式如式(13)所示;若是垂直的(串聯(lián)),則復(fù)合材料的熱導(dǎo)率最低,熱導(dǎo)率表示為式(14)。并根據(jù)式(10)、(11)得到式(15)的計(jì)算公式。

式中C1——影響結(jié)晶度和聚合物結(jié)晶尺寸的因子

C2——形成粒子導(dǎo)熱鏈的自由因子

Agari等通過實(shí)驗(yàn)分別制備了石墨、銅、氧化鋁填充的聚乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺復(fù)合材料,測得的多個(gè)體系的熱導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論模型的曲線都基本符合[14-15]。

Agari以之前提出的兩相體系的模型為基礎(chǔ),推導(dǎo)出了用于多種粒子混合填充得到的多項(xiàng)體系的導(dǎo)熱模型[16],如式(16)所示。

式中 λ1,λ2,λ3……——各種填料粒子的熱導(dǎo)率,W/(m·K)

X2,X3……——各種填料粒子的混合比

此外,根據(jù)各種聚合物/填料復(fù)合材料(兩相體系)數(shù)據(jù),可以估算出不同填料粒子混合填充的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。

Agari在研究碳纖維填充聚乙烯復(fù)合材料的導(dǎo)熱性時(shí)又將公式進(jìn)一步完善,使其能夠用于纖維填充復(fù)合材料的熱導(dǎo)率預(yù)測[17],如式(17)所示。

式中L/D——纖維長徑比

E——與纖維種類及分散體系種類有關(guān)的常數(shù)

閔新民等[18]按幾個(gè)不同的理論模型(分別為Maxwell-Eucken、Bruggemen、Cheng-Vochen、Agrai等),計(jì)算了在 300、373、400、450和 500 K溫度下Al2O3填充的聚合物復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨填充率的變化,將不同的模型計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值比較,從數(shù)據(jù)的吻合情況可以看出,各個(gè)模型都有其特定的適用范圍。

因此,我們在應(yīng)用這些模型預(yù)測填充型復(fù)合材料體系的熱導(dǎo)率時(shí),應(yīng)根據(jù)不同體系,如填料種類、填料含量等,根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇,并且具體到某一個(gè)體系可以使用的模型也不是絕對惟一的。

3 影響熱導(dǎo)率的因素

3.1 樹脂基體的影響

高導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)聚合物應(yīng)具有超大共軛體系,能形成電子導(dǎo)熱通路,如具有良好導(dǎo)熱性能的聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯等,但目前對于這類聚合物的研究重點(diǎn)在其導(dǎo)電性。其次,可以合成具有完整結(jié)晶性的高聚物,通過聲子實(shí)現(xiàn)聚合物的導(dǎo)熱,如平行拉伸高密度聚乙烯(PE-HD),在室溫下,拉伸倍數(shù)為25倍時(shí),平行于分子鏈的熱導(dǎo)率可達(dá)13.4 W/(m·K)[19]。Langer等[20]研究了拉伸和退火PPS薄膜的熱導(dǎo)率,探討了結(jié)晶度對熱導(dǎo)率的影響,證實(shí)外界的定向拉伸和模壓,可以提高其熱導(dǎo)率。李明軒等[21]在 PE-HD及低密度聚乙烯(PE-LD)中加入Al2O3,研究了其對PE-LD和 PE-HD結(jié)晶及熱導(dǎo)率的影響。結(jié)果顯示Al2O3的加入對PEHD及PE-LD結(jié)晶性能基本無影響;而在相同Al2O3含量下,PE-HD/Al2O3共混體系的熱導(dǎo)率及熱擴(kuò)散系數(shù)要高于PE-LD/Al2O3共混體系。分析原因是由于PE-HD結(jié)晶度較 PE-LD高,Al2O3在 PE-HD基體中更易形成導(dǎo)熱通道。但由于制備完整結(jié)晶高度取向聚合物工藝復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。

對于絕緣高分子材料而言,材料的熱導(dǎo)率取決于含極性基團(tuán)的多少和極性基團(tuán)偶極化的程度。聚酰亞胺所含的極性基團(tuán)多,且較易極化,其熱導(dǎo)率為0.3 W/(m·K)。聚四氟乙烯無極性,其熱導(dǎo)率就低,為0.25 W/(m·K)[22]。高熱導(dǎo)率填料的引入對高分子基體的熱導(dǎo)率有影響,但高分子基體的熱導(dǎo)率也不能太低。研究表明,當(dāng)基體與填料間熱導(dǎo)率比低于1∶100時(shí),復(fù)合后材料的導(dǎo)熱性只會再有微小的增加。

3.2 導(dǎo)熱填料的影響

3.2.1 填料的種類及填充量

填料主要包括金屬填料和非金屬填料。填料的種類不同,其導(dǎo)熱機(jī)理、熱導(dǎo)率及適用范圍也不同,部分材料的熱導(dǎo)率如表2所示[1]。金屬填料中常用的金屬粉末包括銀、銅、錫、鋁、鐵等。金屬是靠自由電子運(yùn)動進(jìn)行導(dǎo)熱,但自由電子的定向運(yùn)動也會形成電流,因此,將金屬作為填料會使復(fù)合材料的絕緣性能降低,不適合制備導(dǎo)熱絕緣材料。非金屬填料包括無機(jī)填料和有機(jī)填料。在絕緣復(fù)合材料中主要使用的是包括陶瓷、碳纖維、氧化鋁、氧化鎂、氮化鋁、碳化硅等的無機(jī)填料。Kume等[23]將AlN陶瓷與BN粉末一同加入聚酰亞胺樹脂混合,在420℃、100 MPa下模壓成型,得到的復(fù)合材料比聚酰亞胺樹脂的熱導(dǎo)率高50倍左右。有機(jī)物作填料時(shí),通常是導(dǎo)電有機(jī)物如聚乙炔、聚亞苯基硫醚、聚噻吩等,此類材料作填料時(shí),材料的相容性、加工性和導(dǎo)熱性能均得到改善,且導(dǎo)電有機(jī)物質(zhì)在不純的情況下將成為絕緣體[24]。

表2 一些金屬和金屬氧化物的熱導(dǎo)率Tab.2 Thermal conductivity of metals and metallic oxides

丁峰等[25]將銅粉、錫粉加入環(huán)氧樹脂中固化之后研究其復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨著金屬粉末含量的增加而增加,但當(dāng)金屬含量低于10%時(shí),材料的熱導(dǎo)率緩慢增加,且含不同金屬粉末的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率相差不大。增加金屬粉末的含量,含高熱導(dǎo)率金屬粉末的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率增幅較大,當(dāng)體積分?jǐn)?shù)大于30%時(shí),含銅粉材料的熱導(dǎo)率高于含錫粉材料的熱導(dǎo)率。

3.2.2 填料的尺寸

填料填充復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨粒徑增大而增加,在填充量相同時(shí),大粒徑填料填充所得到的復(fù)合材料熱導(dǎo)率均比小粒徑填料填充的要高。Hasselman研究了不同粒徑SiC填充的鋁基復(fù)合材料的導(dǎo)熱率,實(shí)驗(yàn)得到在20℃填充量為20%時(shí)熱導(dǎo)率隨著SiC粒徑的增大也變大[26]。

但是,導(dǎo)熱填料經(jīng)過超細(xì)微化處理可以有效提高其自身的導(dǎo)熱性能。唐明明等[27]研究了在丁苯橡膠中分別加入納米氧化鋁和微米氧化鋁得到的聚合物材料的導(dǎo)熱性,發(fā)現(xiàn)在相同填充量下,納米氧化鋁填充丁苯橡膠的熱導(dǎo)率和物理力學(xué)性能均優(yōu)于微米氧化鋁填充的丁苯橡膠,且丁苯橡膠的熱導(dǎo)率隨著氧化鋁填充量的增加而增大。

3.2.3 填料的形狀

分散于樹脂基體中的填料可以是粒狀、片狀、球形、纖維等形狀,填料的外形直接影響其在高分子材料中的分散及熱導(dǎo)率。汪雨荻[28]利用模壓法制備了聚乙烯/AlN復(fù)合基板,研究了AlN的結(jié)晶形態(tài)和填加量對復(fù)合基板熱導(dǎo)率的影響。結(jié)果表明復(fù)合基板的熱導(dǎo)率隨AlN添加量的增大,最初變化很小,而后迅速升高,隨后增速又逐漸降低;在相同的AlN填加量情況下,熱導(dǎo)率最低的是AlN粉體復(fù)合材料,其次是含AlN纖維復(fù)合材料,最高的則是以晶須形態(tài)填加的復(fù)合材料。

3.2.4 基體與填料的界面

導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料是由導(dǎo)熱填料和聚合物基體復(fù)合而成的多相體系,在熱量傳遞(即晶格振動傳遞)過程中,必然要經(jīng)過許多基體-填料界面,因此界面間的結(jié)合強(qiáng)度也直接影響整個(gè)復(fù)合材料體系的熱導(dǎo)率。

基體和填料界面的結(jié)合強(qiáng)度與填料的表面處理有很大關(guān)系,取決于顆粒表面易濕潤的程度[29]。這是因?yàn)樘盍媳砻鏉櫇癯潭扔绊懱盍吓c基體的黏結(jié)程度、基體與填料界面的熱障、填料的均勻分散、填料的加入量等一些直接影響體系熱導(dǎo)率的因素。增加界面結(jié)合強(qiáng)度能提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。張曉輝等[30]研究發(fā)現(xiàn)Al2O3粒子經(jīng)偶聯(lián)劑表面處理后填充環(huán)氧,與未經(jīng)表面處理直接填充所得的環(huán)氧膠黏劑相比,其熱導(dǎo)率提高了10%,獲得的最大熱導(dǎo)率為1.236 W/(m·K)。牟秋紅等[31]以Al2O3為導(dǎo)熱填料,制備了熱硫化導(dǎo)熱硅橡膠,考察了5種表面處理劑對Al2O3填充硅橡膠性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),5種處理劑處理均能提高硅橡膠的熱導(dǎo)率,其中以乙烯基三(β-甲氧基乙氧基)硅烷效果最為明顯。表面處理劑的加入既可以改善填料的分散能力,又可以減少硅橡膠受外力作用時(shí)填料粒子與基體間產(chǎn)生的空隙,減少應(yīng)力集中導(dǎo)致的基體破壞。

表面處理劑對硅橡膠熱導(dǎo)率的影響應(yīng)該是“橋聯(lián)”和“包覆”共同作用的結(jié)果。一方面,其“橋聯(lián)”作用改善了填料與基體的界面相容性,減少了界面缺陷及可能存在的空隙,從而降低了體系的熱阻;另一方面,若包裹在填料表層的偶聯(lián)劑的熱導(dǎo)率較低,又會增加熱阻。

表面處理劑是否能夠提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率,關(guān)鍵在于處理是否能夠在界面處形成有效的鍵合。

3.3 溫度的影響

閔新民等[18]研究了在不同填充率下Al2O3粒子填充的聚合物基復(fù)合材料熱導(dǎo)率隨溫度的變化。通過采用不同導(dǎo)熱模型得到的熱導(dǎo)率隨溫度變化的預(yù)測曲線可以看出,當(dāng)溫度在300～373 K內(nèi)變化時(shí),熱導(dǎo)率隨溫度升高不斷增大;溫度超過373 K時(shí),熱導(dǎo)率則隨溫度升高緩慢下降,此后基本保持不變。

4 結(jié)語

導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料不僅具有良好的導(dǎo)熱性,而且還有金屬等傳統(tǒng)材料所不可比擬的特性,將會越來越受到人們的關(guān)注,市場前景相當(dāng)可觀。盡管目前已經(jīng)有很多科研人員在高分子材料的導(dǎo)熱理論模型和導(dǎo)熱機(jī)理方面做出了貢獻(xiàn),但普適性的理論模型和機(jī)理還沒有出現(xiàn),應(yīng)用開發(fā)等方面的研究遠(yuǎn)不如導(dǎo)電材料研究深入,還有待于更深一步的研究。

[1] 儲九榮,張曉輝,徐傳驤.導(dǎo)熱高分子材料的研究與應(yīng)用[J].高分子材料科學(xué)與工程,2000,16(4):17-21.

[2] 張志龍,吳 昊,景錄如.高導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料的研究[J].艦船電子工程,2005,25(6):36-40.

[3] 周文英,齊暑華,李國新,等.導(dǎo)熱膠粘劑研究[J].材料導(dǎo)報(bào),2005,19(5):26-33.

[4] Agari Y,Ueda A,Nagai S,et al.Thermal Conductivity of a Polyethylene Filled with Disoriented Short-cut Carbon Fibers[J].Journal of Applied Polymer Science,1991,43(6):1117-1124.

[5] Agari Y,Ueda A,Nagai S,et al.Thermal Conductivity of Composites in Several Types of Dispersion Systems[J].Journal of Applied Polymer Science,1991,42(6):1665-1669.

[6] 馬傳國,容敏智,章明秋.導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料的研究與應(yīng)用[J].材料工程,2007,(7):40-45.

[7] 李 賓,劉 妍,孫 斌,等.導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料的研究[J].化工學(xué)報(bào),2009,60(10):2650-2655.

[8] 馬慶芳,方榮生.實(shí)用熱物理性質(zhì)手冊[M].北京:中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社,1986:144-383.

[9] Agari Y,Uno T.Estimation on Thermal Conductivities of Filled Polymer[J].Journal of Applied Polymer Science,1986,32:5705.

[10] 閆 剛,魏伯榮,楊海濤,等.聚合物基復(fù)合材料導(dǎo)熱模型及其研究進(jìn)展[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2006,(3):50-52.

[11] George Tsu-Ning Tsao.Thermal Conductivity ofTwophase Materials[J].Ind Eng Chem,1961,53(5):395-397.

[12] S C Cheng,R I Vachon.The Prediction of the Thermal Conductivity of Two and Three-phase Solid Heterogeneous Mixtures[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,1969,12(3):249-264.

[13] 馬傳國,容敏智,章明秋.聚合物基復(fù)合材料導(dǎo)熱模型及其應(yīng)用[J].宇航材料工藝,2003,33(3):1-4.

[14] Agar Y,Ueda A,Tanaka M,et al.Thermal Conductivity of a Polymer Filled with Particles in the Wide Range from Low to Super-high Volume Content[J].Journal of Applied Polymer Science,1990,40:929-941.

[15] Agari Y,Uno T.Estimation on Thermal Conductivities of Filled Polymers[J].Journal of Applied Polymer Science,1986,32(7):5705-5712.

[16] Agari Y,Tanaka M,Nagai S,et al.Thermal Conductivity of a Polymer Composite Filled with Mixtures of Particles[J].Journal of Applied Polymer Science,1987,34(4):1429-1437.

[17] Agari Y,Ueda A,Nagai S.Thermal Conductivity of Polyethylene Filled with Oriented Short-cut Carbon Fibers[J].Journal of Applied Polymer Science,1991,43(6):1117-1124.

[18] 閔新民,安繼明,陳 峰,等.聚合物基復(fù)合材料導(dǎo)熱性的研究[J].功能材料信息,2007,4(4):23-27.

[19] 李侃社,王 琪.導(dǎo)熱高分子材料研究進(jìn)展[J].功能材料,2002,33(2):136-141.

[20] Luc Langer,Denis Billaud,Jean-Paul Issi.Thermal Conductivity of Stretched and Annealed Poly(p-phenylene sulfide)Films[J].Solid State Communications,2003,126:353-357.

[21] 李明軒,劉鵬波,范 萍,等.氧化鋁對聚乙烯結(jié)晶及導(dǎo)熱性能影響的研究[J].中國塑料,2009,23(4):49-52.

[22] 王文進(jìn),李鴻巖,姜其斌.高導(dǎo)熱絕緣高分子復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].絕緣材料,2008,41(5):30-33.

[23] Shoichi Kume,Ikuko Yamada,Koji Watari.High-thermalconductivity AlN Filler for Polymer/Ceramics Composites[J].Journal of the American Ceramic Society,2009,92:153-156.

[24] 肖 琰,魏伯榮,楊海濤,等.導(dǎo)熱高分子材料的研究開發(fā)現(xiàn)狀[J].中國塑料,2005,19(4):12-16.

[25] 丁 峰,謝維章.導(dǎo)熱樹脂基復(fù)合材料[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào),1993,10(3):19-24.

[26] Hasselman H P D,Donaldson Y K.Effect of Reinforcement Particle Size on the Thermal Conductivity of a Particulate Silicon Carbide-reinforced Aluminium-matrix Composite[J].Journal of Materials Science Letters,1993,12:420-423.

[27] 唐明明,容敏智,馬傳國,等.Al2O3的表面處理及粒子尺寸對SBR導(dǎo)熱橡膠性能的影響[J].合成橡膠工業(yè),2003,26(2):104-107.

[28] 汪雨荻.AlN/聚乙烯復(fù)合基板的導(dǎo)熱性能[J].無機(jī)材料學(xué)報(bào),2000,15(6):1030-1036.

[29] 王鐵如,唐國瑾,導(dǎo)熱絕緣膠的研制與應(yīng)用方法[J].電子工程師,1998,(8):37-38.

[30] 張曉輝.電工高分子材料導(dǎo)熱特性和機(jī)理的研究[D].西安:西安交通大學(xué),1999.

[31] 牟秋紅.表面處理劑對Al2O3填充硅橡膠導(dǎo)熱性能的影響[J].有機(jī)硅材料,2009,23(3):140-143.

Research Development of Thermally Conductive Polymer Composites

KONGJiaoyue,CHEN Lixin＊,CAI Yufeng
(Department of Applied Chemistry,School of Science,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710129,China)

Based on the general thermal conducting principle of metal,inorganic nonmetallic materials,and polymer materials,two kinds of thermal conducting mechanisms of polymer/heat conductive filler composites were introduced,i.e.,thermal nets chain mechanism and thermalelastic combination mechanism.These mechanisms could explain various phenomena of heat conduction in polymer composites.Some thermal conduction models suitable for fiber and grain filled polymeric composites were presented.Effect of resin,heat conductive filler,and temperature on the thermal conductivity of polymer composites was discussed.

thermally conductive polymer;composite;thermally conductive mechanism;thermally conductive model;affecting factor

TQ324.8

A

1001-9278(2011)03-0007-06

2010-07-26

西北工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)業(yè)種子基金資助項(xiàng)目(Z2010077)

＊聯(lián)系人,lixin@nwpu.edu.cn