導(dǎo)熱高分子材料的研究與應(yīng)用分析

李 玥

（黑龍江省大慶職業(yè)學(xué)院 化學(xué)工程系,黑龍江 大慶 163000）

目前，導(dǎo)熱高分子材料的分類已基本完成，而且導(dǎo)熱塑料、導(dǎo)熱橡膠以及導(dǎo)熱膠粘劑的發(fā)展都比較迅速。導(dǎo)熱橡膠在電子電氣領(lǐng)域得到了很好地應(yīng)用，并且可以為電子元件提供一個(gè)良好的散熱環(huán)境，并且可以在一定程度上達(dá)到絕緣和減震的效果。導(dǎo)熱塑料可以代替金屬材料應(yīng)用在換熱和采暖的工程中，還可以用于制作高性能的導(dǎo)熱電路板。導(dǎo)熱膠粘劑一般應(yīng)用于電子電氣領(lǐng)域的粘接以及封裝材料。

1 導(dǎo)熱高分子材料的主要類型

（1）導(dǎo)熱塑料。正是因?yàn)闃渲w本身良好的絕緣性，才使得導(dǎo)熱塑料的絕緣性和填充物質(zhì)的絕緣性之間有密切的關(guān)系，一般，人們都以金屬氧化物、金屬氮化物和B4C3等來作為絕緣導(dǎo)熱塑料的填充物質(zhì)。有研究表明，將硅酸鋁纖維和氧化鋁纖維填充在聚乙烯和聚丙烯中，形成的復(fù)合材料的導(dǎo)熱率隨著填充纖維量的增加而增加，當(dāng)纖維的質(zhì)量所占比例達(dá)到35%時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能最好。當(dāng)填充的物質(zhì)為金屬粉、石墨和碳纖維時(shí)，導(dǎo)熱塑料就變成了非絕緣的。在樹脂基體里，石墨以及碳纖維有著非常合理的分布，這可以使復(fù)合材料的導(dǎo)熱性以及力學(xué)特性得到很大的提高。

（2）導(dǎo)熱橡膠。一般有結(jié)構(gòu)型和填充型兩種導(dǎo)熱橡膠，很多研究以及應(yīng)用都是基于填充型導(dǎo)熱橡膠來進(jìn)行的，而很少有人研究結(jié)構(gòu)型的導(dǎo)熱橡膠。將氧化鋁作為填充物質(zhì)，填充到丁苯橡膠中，可以制備出填充型導(dǎo)熱橡膠。基于已有的研究，可以了解到，在填充量相同的條件下，填充氧化鋁的微米或納米顆粒能夠使導(dǎo)熱橡膠具有更好的導(dǎo)熱性能。

（3）導(dǎo)熱膠粘劑。根據(jù)電絕緣性可以將導(dǎo)熱膠粘劑分為絕緣導(dǎo)熱膠粘劑以及非絕緣導(dǎo)熱膠粘劑兩種，對導(dǎo)熱粘膠劑的應(yīng)用主要有半導(dǎo)體基片的粘接、管殼的密封和熱敏電阻器的導(dǎo)熱絕緣等。通過對導(dǎo)熱填充物質(zhì)和固化過程的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)分析，可以找到理想的導(dǎo)熱填充材料，研制出具有很好導(dǎo)熱性能和絕緣性能的粘接劑。將碳纖維填充到粘接劑中，發(fā)現(xiàn)沿粘接劑的厚度方向具有很好的導(dǎo)熱率，這種膠黏劑可以用來做散熱板以及半導(dǎo)體的封裝材料。

2 導(dǎo)熱高分子材料的理論研究

（1）導(dǎo)熱原理。填充的導(dǎo)熱物質(zhì)以及高分子基體在某種程度上影響著導(dǎo)熱高分子材料的導(dǎo)熱性能，正是因?yàn)檫@種性質(zhì)以及相互作用之間的關(guān)系決定了復(fù)合高分子材料的導(dǎo)熱性能。高分子基體中沒有均勻有序的晶體結(jié)構(gòu)或者載荷子，不能夠達(dá)到熱傳遞的要求，所以高分子基體的導(dǎo)熱性能不是很好。而導(dǎo)熱的填充材料，不管是什么樣的形態(tài)，填充材料的導(dǎo)熱性能比高分子基體要好很多。當(dāng)填充物質(zhì)的填充量比較少時(shí)，填充材料之間空隙較大，沒有很好的接觸，這時(shí)高分子復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能基本沒有提高。當(dāng)填充材料達(dá)到一定的比例時(shí)，填充材料之間會形成某種網(wǎng)狀或者鏈狀的導(dǎo)熱鏈，在導(dǎo)熱鏈的取向與熱流方向達(dá)到一致時(shí)，高分子復(fù)合材料具有很好的導(dǎo)熱性能。但是在熱流方向上沒有形成導(dǎo)熱鏈時(shí)，高分子復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能也會很差。所以，如何使得使熱流的方向與導(dǎo)熱鏈的方向達(dá)成一致才是對導(dǎo)熱高分子材料的研究關(guān)鍵所在。

（2）導(dǎo)熱理論模型。目前，導(dǎo)熱理論模型大多數(shù)是針對低填充或者中等填充的理論模型，關(guān)于高填充或超高填充的研究較少，而Agari Y對高填充和超高填充的理論模型進(jìn)行了研究，并得到了有效的成果。在這個(gè)理論模型中，可以認(rèn)定在填充后的高分子復(fù)合材料中，如果所有填充粒子聚集而成的傳導(dǎo)塊與復(fù)合物的傳導(dǎo)塊在熱流方向上是平行的，此時(shí)高分子復(fù)合材料的導(dǎo)熱率最高。當(dāng)傳導(dǎo)塊方向和熱流方向相互垂直時(shí)，高分子復(fù)合材料可以達(dá)到最低的導(dǎo)熱率。這個(gè)理論模型不僅全面考慮的粒子對高分子復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能的影響，而且還假定了粒子是處于均勻分散的狀態(tài)的，通過實(shí)驗(yàn)，理論曲線和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本相符，能夠驗(yàn)證該理論模型的正確性。

3 提高導(dǎo)熱高分子材料性能的途徑

（1）選擇合適的基體材料。對于高分子復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，基體材料的選擇會產(chǎn)生很大的影響，所以選擇合適的基體材料對于提高高分子復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能具有非常重要的意義。高分子材料基體本身是擁有良好的導(dǎo)熱性能、較好的力學(xué)性能以及易于加工等特性的，這是非常適合與大量填充的。能夠滿足上述要求的高分子基體材料中，導(dǎo)熱塑料基體有HDPE、LDPE、PP等；硅橡膠、丁晴橡膠等是導(dǎo)熱橡膠基體的主要成分，當(dāng)然天然橡膠和丁苯橡膠也可以作為基體材料；通常環(huán)氧類和硅膠類膠粘劑可以作為導(dǎo)熱膠粘劑的基體材料。

（2）填充材料表面預(yù)處理。填充材料的超細(xì)微化能夠大大提高自身的導(dǎo)熱性能，不同的偶聯(lián)劑、表面處理劑是可以使得高分子材料基體與填充材料的相容性得到一定的提高的，這樣還可以提高高分子復(fù)合材料的導(dǎo)熱性，同時(shí)保證基體材料的力學(xué)性能不受影響。例如，將鋁粉先用甲醇溶液進(jìn)行處理，然后再填充到環(huán)氧樹脂基體中去，可以提高鋁粉與環(huán)氧樹脂基體之間的相容性。使用偶聯(lián)劑對AL2O3粒子進(jìn)行表面處理后，填充到環(huán)氧膠粘劑中，填充后的環(huán)氧膠粘劑的導(dǎo)熱率能夠提高10%左右。

（3）工藝條件的選擇與優(yōu)化。導(dǎo)熱填充材料、高分子基體二者之間的結(jié)合方式以及在填充時(shí)各種助劑的添加順序都會影響高分子復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。當(dāng)具有不同粒徑的導(dǎo)熱填充材料發(fā)生混合填充時(shí)，會使填充材料達(dá)到最大程度的堆積，這對基體材料導(dǎo)熱性的提高具有很大作用。填充材料的搭配也可以在一定程度上影響基體材料的導(dǎo)熱性能以及黏度，當(dāng)填充材料以合適的粒徑進(jìn)行分布時(shí)，基體材料的導(dǎo)熱性能會有所、提高，同時(shí)還會降低基體材料的黏度。另外，在填充的成型過程中，溫度、壓力和時(shí)間對于高分子復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能也會產(chǎn)生影響，例如高溫硫化導(dǎo)熱硅橡膠的導(dǎo)熱率高于在常溫下硫化導(dǎo)熱硅橡膠的導(dǎo)熱率。所以，在填充時(shí)一定要注意對工藝條件進(jìn)行選擇和優(yōu)化，使得導(dǎo)熱高分子材料的導(dǎo)熱性能最優(yōu)。

4 小結(jié)

導(dǎo)熱高分子材料的發(fā)現(xiàn)擴(kuò)大了高分子材料的應(yīng)用領(lǐng)域，為科技的進(jìn)步提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。在制備導(dǎo)熱高分子材料時(shí)，要根據(jù)材料的使用要求和用途選擇合適的基體材料和填充材料，并對填充材料進(jìn)行表面預(yù)處理，以改善填充材料與基體材料之間的相容性，同時(shí)注意工藝的選擇和優(yōu)化，使導(dǎo)熱高分子材料的導(dǎo)熱性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

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