導(dǎo)熱高分子材料的研究與應(yīng)用

梁晉嘉

摘 要 介紹了金屬材料、非金屬材料、高分子材料的導(dǎo)熱機(jī)理，以及導(dǎo)熱填料攙雜高分子材料的導(dǎo)熱理論模型。綜述了各種高導(dǎo)熱填料的研究進(jìn)展和它們在導(dǎo)熱高分子材料中的應(yīng)用情況。最后提出了導(dǎo)熱高分子材料的研究方向。

關(guān)鍵詞 導(dǎo)熱高分子材料 導(dǎo)熱機(jī)理 導(dǎo)熱填料 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TB332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1導(dǎo)熱高分子材料的研究概況

絕大多數(shù)高分子材料本身屬于絕熱性材料。要想賦予高分子材料優(yōu)良的導(dǎo)熱性，主要是通過共混 （熔體共混和溶液共混等） 方法在高分子材料中填充導(dǎo)熱性能好的填料。這樣得到的導(dǎo)熱材料有價(jià)格低廉、易加工成型等優(yōu)點(diǎn)。

1.1導(dǎo)熱塑料

對(duì)于導(dǎo)熱塑料的研究和應(yīng)用很多，可以對(duì)其進(jìn)行簡單的分類，按照基體材料種類可以分為熱塑性導(dǎo)熱樹脂和熱固性導(dǎo)熱樹脂；按填充粒子的種類可分為：金屬填充型、金屬氧化物填充型、金屬氮化物填充型、無機(jī)非金屬填充型、纖維填充型導(dǎo)熱塑料；也可以按照導(dǎo)熱塑料的某一種性質(zhì)來劃分，比如根據(jù)其電絕緣性能可以分為絕緣型導(dǎo)熱塑料和非絕緣型導(dǎo)熱塑料。

（1）非絕緣型導(dǎo)熱塑料。由于塑料本身具有絕緣性，因此對(duì)于絕大多數(shù)導(dǎo)熱塑料的電絕緣性能，最終是由填充粒子的絕緣性能決定的。用于非絕緣型導(dǎo)熱塑料的填料常常是金屬粉、石墨、炭黑、碳纖維等，這類填料的特點(diǎn)是具有很好的導(dǎo)熱性，能夠容易地使材料得到高的導(dǎo)熱性能，但是同時(shí)也使得材料的絕緣性能下降甚至成為導(dǎo)電材料。因此在材料的工作環(huán)境對(duì)于電絕緣性要求不高的情況下，都可以應(yīng)用上述填料。

（2）絕緣型導(dǎo)熱塑料。用于這類導(dǎo)熱塑料的填料主要包括：金屬氧化物如BeO，MgO，Al2O3，CaO，NiO；金屬氮化物如AlN，BN等；碳化物如SiC，B4 C3等，它們也有不錯(cuò)的導(dǎo)熱性，而且同金屬粉相比有優(yōu)異的電絕緣性，因此它們能保證最終制品具有良好的電絕緣性，這在電子電器工業(yè)中是至關(guān)重要的。 當(dāng)然也可以用在對(duì)導(dǎo)電性能沒有特殊要求的其他領(lǐng)域。

1.2導(dǎo)熱橡膠

用含有 Al2O3的硅橡膠可以制作電子元器件的導(dǎo)熱層。當(dāng)Al2O3 的量是聚合物的3倍時(shí)，材料的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)2.72W/（m·K）。在硅橡膠中大量填充Al2O3，還可同時(shí)獲得高導(dǎo)熱性和阻燃性。在硅橡膠中填加金屬粉或氮化物（可從鋁粉、BN、AlN中選擇）和經(jīng)硬脂酸表面處理的Al（OH）3粉末，可制備具有高導(dǎo)熱性和良好阻燃性的硅橡膠，阻燃級(jí)別為V-0（UL-94），導(dǎo)熱系數(shù)為1.09W/（m·K）。

1.3導(dǎo)熱膠粘劑

導(dǎo)熱膠粘劑多用于絕緣性場合，因?yàn)樵陔娮与姎夤I(yè)發(fā)展中，電子電氣材料領(lǐng)域急需導(dǎo)熱絕緣材料，如半導(dǎo)體管與散熱器的粘合、管心的保護(hù)、管殼的密封，整流器、熱敏電阻器的導(dǎo)熱絕緣，微包裝中多層板的導(dǎo)熱絕緣組裝等需要不同工藝性能的導(dǎo)熱絕緣膠。

2導(dǎo)熱高分子導(dǎo)熱機(jī)理

晶體的導(dǎo)熱機(jī)理是排列整齊的晶粒的熱振動(dòng)，通常用聲子的概念來描述。對(duì)于金屬晶體，自由電子的運(yùn)動(dòng)對(duì)導(dǎo)熱起主要作用，聲子所作的貢獻(xiàn)大多情況下可以忽略不計(jì)。非晶體的導(dǎo)熱機(jī)理是依靠無規(guī)律排列的分子或原子，圍繞固定的位置的熱振動(dòng)，將能量依次傳給相鄰的分子或原子。由于非晶體可看作晶粒極細(xì)的晶體，因此也可用聲子的概念來分析其導(dǎo)熱。一般高分子材料本身的導(dǎo)熱性較差，是熱的不良導(dǎo)體，只有通過填充高導(dǎo)熱性的填料增加材料的導(dǎo)熱性能。但填料的加入往往降低了材料的強(qiáng)度性能。填料自身的導(dǎo)熱性能及其在基體中的分布形式?jīng)Q定了整體材料的導(dǎo)熱性能。

導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能最終是由高分子基體和高導(dǎo)熱填充物綜合作用決定的。作為導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料的填充物無論是以粒子還是以纖維形式，其自身的導(dǎo)熱性都遠(yuǎn)大于基體材料的導(dǎo)熱性，當(dāng)填充量比較小時(shí)，彼此能夠均勻的分散在體系中，它們之間沒有接觸和相互作用。

3導(dǎo)熱高分子材料的應(yīng)用

3.1石墨導(dǎo)熱材料

換熱器是化工、制藥、食品、能源等工業(yè)部門廣泛應(yīng)用的通用設(shè)備。碳鋼和不銹鋼導(dǎo)熱性很好，然而在特定的情況下，特別是有腐蝕性化學(xué)物質(zhì)時(shí)，則不能適應(yīng)要求。高分子材料雖然化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異，但熱導(dǎo)率較低。

3.2導(dǎo)熱絕緣膠粘劑

在當(dāng)代電子技術(shù)革命的浪潮中，電子電氣材料領(lǐng)域急需導(dǎo)熱絕緣材料。如半導(dǎo)體管陶瓷基片與銅座的粘合、管心的保護(hù)、管殼的密封，整流器、熱敏電阻器的導(dǎo)熱絕緣，微包裝中多層板的導(dǎo)熱絕緣組裝等需要不同工藝性能的導(dǎo)熱絕緣膠。

3.3導(dǎo)熱節(jié)能膠粘劑

化工部北京化工研究院研制成功兩種TM型膠粘劑。其TM-型是無機(jī)型導(dǎo)熱膠粘劑，其主要成分為鱗片狀石墨及硅酸鹽類無機(jī)膠粘劑，該種膠粘劑熱導(dǎo)率大傳熱效率高，適用溫度范圍廣（-190～370℃），TM-Ⅱ型是有機(jī)型導(dǎo)熱膠粘劑，是以高純度結(jié)晶型石墨為導(dǎo)熱材料，以有機(jī)高分子物質(zhì)為粘接劑，并加入其它適量助劑而制成的一種單組分導(dǎo)熱材料。該種導(dǎo)熱膠粘劑化學(xué)穩(wěn)定性好，強(qiáng)度高，耐水性好，貯存及施工方便，可在-190～190℃范圍使用。

4結(jié)論

在制備導(dǎo)熱高分子材料中，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的使用要求選擇適當(dāng)?shù)臉渲?、填料，并?duì)填料進(jìn)行預(yù)處理以改善填料和樹脂的界面性能。導(dǎo)熱材料的出現(xiàn)既擴(kuò)大了高分子材料的應(yīng)用范圍，又拓寬了傳熱材料的研究領(lǐng)域。目前主要研究方向?yàn)椋?/p>

（1）對(duì)現(xiàn)有導(dǎo)熱填料進(jìn)行改性，改善其綜合性能；

（2）研究發(fā)現(xiàn)新型導(dǎo)熱填料，如高取向填料、立體網(wǎng)狀填料；

（3）探索本征導(dǎo)熱高分子材料的可能性，并使之達(dá)到實(shí)用的要求，這一點(diǎn)將是導(dǎo)熱材料研究最富有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。

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