不同粒徑球形氧化鋁粉體填充硅橡膠熱導(dǎo)率研究

高本征 胡妞 黃山

摘 要：采用不同粒徑的球形ɑ-Al2O3粉體填充甲基乙烯基硅橡膠，研究了粉體粒徑和粉體體積填充率對(duì)復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響；并用理論模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，揭示出導(dǎo)致復(fù)合材料熱導(dǎo)率差別的微觀機(jī)理。研究結(jié)果表明：球形氧化鋁粉體作為復(fù)合材料增強(qiáng)相，其體積填充率越大，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率越高；對(duì)于某一固定的體積填充率，隨著粉體粒徑的增大，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率也增大，而且體積填充率越高，這種差異越明顯。

關(guān) 鍵 詞：熱導(dǎo)率；聚合物基復(fù)合材料；導(dǎo)熱模型；

中圖分類號(hào)：TQ 330 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2015）07-1503-03

Experimental Study on Thermal Conductivity of Silicone Rubber Filled With Spherical Al2O3 Particles of Different Diameters

GAO Ben-zheng， HU Niu， HUANG Shan

（New Materials Institute ， Graduate School at Shenzhen，Tsinghua University， Guangdong Shenzhen 508055， China）

Abstract： Experiments were conducted to measure thermal conductivities of composite materials made of silicone rubber and spherical Al2O3 particles with various volume fractions and of four mean particle sizes. The experimental results were compared with predictions from theoretical model. The experimental results indicate that， for each composite with fixed mean particle diameter， the measured thermal conductivity increases with the increase of volume fraction of Al2O3 particles， but the rate of increase also increases with increasing volume fraction. The experimental results also show that， for fixed volume fraction of Al2O3 particles， the larger the mean particle diameter， the higher the effective thermal conductivity. This implies that the effective thermal conductivity depends not only on the volume fractions of the phase components of composites， but also on the detailed geometry of material phases.

Key words： Thermal conductivity； Polymer matrix composite； Thermal conductive model

隨著集成電路的小型化和微型化，散熱問(wèn)題越來(lái)越突出。由于電子器件的表面往往高低不平，電子器件與散熱元件之間一般存在空隙?？諝馐菬岬牟涣紝?dǎo)體（熱導(dǎo)率為0.025 W/（m·K）），其存在會(huì)極大的降低散熱效率。為了解決這一問(wèn)題，需要在界面處填充具有較高熱導(dǎo)率的柔性導(dǎo)熱材料[1]。由于硅橡膠具有很高的熱穩(wěn)定性、柔軟易變形，而且耐臭氧老化性能、電性能及生物適應(yīng)性（生理惰性） 等特性極其良好，因此大量用作熱界面材料。陶瓷粉體（如氧化鋁[2]、氮化鋁[3]、氮化硼[4]等）由于具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能并且絕緣性好，在工業(yè)生產(chǎn)中常用作導(dǎo)熱增強(qiáng)相。ɑ-Al2O3粉體由于具有熱導(dǎo)率高（30～40 W/（m·K））、絕緣性能好、耐腐蝕性好，而且價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，是目前應(yīng)用最為廣泛的導(dǎo)熱增強(qiáng)相粉體。

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，目前還沒(méi)專門針對(duì)球形氧化鋁粉體粒徑對(duì)復(fù)合材料熱導(dǎo)率影響的文獻(xiàn)報(bào)道[5，6]。本文通過(guò)將不同粒徑的球形ɑ-Al2O3粉體填充甲基乙烯基硅橡膠，研究了粉體粒徑、粉體體積填充率和粉體顆粒間的接觸熱阻對(duì)復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響；并用理論模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，揭示出導(dǎo)致熱導(dǎo)率差別的微觀機(jī)理。

1 材料及性能

本實(shí)驗(yàn)的聚合物基體采用日本信越化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社生產(chǎn)的甲基乙烯基硅橡膠，粘度為500 mPa·s。導(dǎo)熱填料采用日本電氣化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社生產(chǎn)的球形氧化鋁，平均粒徑分別為3，10，35和75μm。采用北京化學(xué)試劑公司提供的鉑金催化劑和含氫硅油作為催化劑和交聯(lián)劑。

將導(dǎo)熱填料按照比例攪拌加入到液體硅橡膠中，在真空混合機(jī)中將粉體和硅橡膠混合均勻。加入催化劑和交聯(lián)劑混合均勻，用壓片機(jī)制樣，在120 ℃固化24 h，將樣品用31 mm×31 mm模具截切成熱導(dǎo)率測(cè)試樣品。

本實(shí)驗(yàn)采用臺(tái)灣瑞領(lǐng)科技有限公司生產(chǎn)的RD-WIY-021熱阻測(cè)試儀穩(wěn)態(tài)法測(cè)定樣品熱導(dǎo)率。采用日立公司的HITACH S4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察粉體形貌，采用英國(guó)馬爾文公司生產(chǎn)的激光粒度儀進(jìn)行粉體粒度分析。

圖1和圖2分別為粉體形貌和粒度分布圖。由測(cè)試結(jié)果可知，原料粉體的粒徑分布較為集中，其球形度和表面粗糙度均符合本實(shí)驗(yàn)的要求。

圖1 球形氧化鋁粉體形貌圖

Fig.1 Microscopic surface topography of spherical Al2O3 particles

（a）： 3 μm； （b）： 10 μm； （c）： 35 μm； （d）： 75 μm

圖2 粉體粒徑分布圖

Fig.2 Size distributions of Al2O3 particles with different mean particle diameters

（a）： 3 μm； （b）： 10 μm； （c）： 35 μm； （d）： 75 μm

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 復(fù)合材料熱導(dǎo)率與粉體粒徑及體積填充率的關(guān)系曲線

Fig.3 Effective thermal conductivity of composites made of silicone rubber and Al2O3 powders with different mean particle diameters， as varying with volume fraction of Al2O3 fillers

由圖3所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)于四種粒徑的粉體，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率均隨粉體體積填充率的增加而增大。對(duì)于粉體固定的體積填充率，粉體粒徑越大，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率越高。在較低體積填充率（<0.15）時(shí)，粉體粒徑對(duì)復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響很小；隨著體積填充率的增加，粉體粒徑對(duì)復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響逐漸增大。

3 結(jié)果與分析

Agari模型[7]是目前在預(yù)測(cè)復(fù)合材料熱導(dǎo)率方面應(yīng)用最為廣泛的模型。該模型基于熱阻的串并聯(lián)原理，考慮到了高導(dǎo)熱粉體對(duì)導(dǎo)熱通路形成難易程度的影響，其表達(dá)式如下：

其中， 是復(fù)合材料的有效熱導(dǎo)率， 和 分別為高導(dǎo)熱粉體和聚合物基體的熱導(dǎo)率。 是粉體的體積填充率。C1是表征影響聚合物結(jié)晶度和結(jié)晶尺寸的參數(shù)；C2是表征粉體形成導(dǎo)熱通路難易程度的參數(shù)，其數(shù)值越大表示越容易形成導(dǎo)熱通路。圖4為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論模型的擬合情況。

圖4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與Agari模型的擬合

Fig. 4 Comparison of effective thermal conductivities predicted from theoretical models with experimental data

（a）： 3 μm； （b）： 10 μm； （c）： 35 μm； （d）： 75 μm

由圖4可知，對(duì)于四種粒徑的粉體，在粉體體積填充率為0～0.55的范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和Agari模型都能擬合的很好。

表1為與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合之后獲得的Agari模型中的參數(shù)。

表 1 Agari模型中的參數(shù)

Table 1 The parameters C1 and C2 obtained from fitting the data to Agaris model

粉體平均直徑/μm 3 10 35 75

C1 0.901 0.948 0.987 1.137

C2 0.636 0.664 0.705 0.743

由表1可知，隨著粉體粒徑的增大，參數(shù)C1增大。這表明，粉體粒徑對(duì)硅橡膠基體的結(jié)晶程度會(huì)產(chǎn)生一定的影響，而這種影響作用隨著粉體粒徑的增大而增強(qiáng)。隨著粉體粒徑的增大，參數(shù)C2的增大則反映出粉體粒徑越大，其在復(fù)合材料內(nèi)部越容易相互接觸形成導(dǎo)熱通路。由于氧化鋁粉體（30 W/（m·K））的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)大于硅橡膠基體（0.15 W/（m·K））的熱導(dǎo)率，因此當(dāng)粉體之間相互接觸形成導(dǎo)熱通路是，大部分熱流會(huì)沿著導(dǎo)熱通路的方向傳導(dǎo)，這是造成復(fù)合材料熱導(dǎo)率差別的重要原因。

4 結(jié) 論

（1）研究表明，氧化鋁粉體填充硅橡膠復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨著氧化鋁粉體體積填充率的增加而增大。

（2）對(duì)于固定的粉體體積填充率，粉體粒徑越大，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率越大。

（3）在粉體的體積填充率較低時(shí)，粉體粒徑對(duì)復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響很??；而隨著體積填充率的增加，粉體粒徑對(duì)復(fù)合材料有效熱導(dǎo)率的影響逐漸變得顯著。

（4）粉體粒徑越大，在固化的過(guò)程中，其對(duì)復(fù)合材料結(jié)晶程度的影響越大。當(dāng)粉體粒徑增大時(shí)，粉體之間會(huì)更易于形成導(dǎo)熱通路，使熱流傳導(dǎo)的速度更快，從而造成復(fù)合材料有效熱導(dǎo)率的差別。

參考文獻(xiàn)

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英國(guó)千萬(wàn)噸鉀肥項(xiàng)目獲進(jìn)展

近日，天狼星礦業(yè)公司宣布，英國(guó)國(guó)家公園管委會(huì)已經(jīng)同意其繼續(xù)推進(jìn)約克鉀肥項(xiàng)目，開(kāi)展籌資和初期建設(shè)。有關(guān)天狼星投資建設(shè)的協(xié)議文本將于9月份正式公布。

天狼星礦業(yè)表示，除了得到國(guó)會(huì)和當(dāng)?shù)卣馔?，還要繼續(xù)向英國(guó)政府申請(qǐng)?jiān)赥eesside建設(shè)港口，以利于鉀肥運(yùn)輸線建設(shè)?？傮w看，整個(gè)約克鉀肥項(xiàng)目將分為兩階段進(jìn)行，第一階段風(fēng)險(xiǎn)比較大，要進(jìn)行初期評(píng)估、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等，第二階段要進(jìn)行融資拓展，保證項(xiàng)目進(jìn)行。天狼星計(jì)劃第一階段通過(guò)引入投資基金、銀行貸款等保證基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。2015年1月份已經(jīng)開(kāi)始基建融資，2016年一季度開(kāi)始第二輪項(xiàng)目融資。

據(jù)了解，約克鉀肥項(xiàng)目評(píng)估報(bào)告已經(jīng)出爐，結(jié)果顯示，可以建設(shè)鉀肥年產(chǎn)能為650萬(wàn)～1000萬(wàn)噸之間，未來(lái)有望達(dá)到2000萬(wàn)噸。

業(yè)內(nèi)分析人士認(rèn)為，天狼星約克鉀肥項(xiàng)目目前面臨的最大困難是融資，同時(shí)還要加大宣傳力度，讓世界肥料界知道這個(gè)鉀肥生產(chǎn)企業(yè)?！拔覀円呀?jīng)與很多投資人接觸，向他們提供不同的投資建議，共同推進(jìn)這個(gè)項(xiàng)目?！碧炖切强偨?jīng)理盧克·賈維斯表示。

除此之外，天狼星公司還面臨著ICL子公司克利夫蘭鉀肥的競(jìng)爭(zhēng)，該公司已經(jīng)獲得北約克地區(qū)Boulby鉀礦的建設(shè)開(kāi)采權(quán)?？死蛱m鉀肥將投資6400萬(wàn)美元開(kāi)發(fā)該鉀肥項(xiàng)目，總產(chǎn)量預(yù)期將從13萬(wàn)噸提高至60萬(wàn)噸。目前天狼星礦業(yè)已經(jīng)獲得多個(gè)公司的600萬(wàn)噸左右的鉀礦訂單，銷售地區(qū)覆蓋南美、東南亞、非洲和歐洲。