聚合物基復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能影響因素淺談

文/張 勇

聚合物基復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能影響因素淺談

文/張 勇

導(dǎo)熱聚合物材料按制備工藝可以大致分為本征型導(dǎo)熱聚合物和填充型導(dǎo)熱聚合物。本征型導(dǎo)熱聚合物材料是在聚合物合成及成型加工過程中通過改變分子和鏈節(jié)結(jié)構(gòu)，或者通過外力的作用改變分子和分子鏈的排列來獲得特殊物理結(jié)構(gòu)，從而提高材料的導(dǎo)熱性能，但是目前想制備這種本征型導(dǎo)熱高分子材料比較困難且代價(jià)高昂；填充型導(dǎo)熱高分子材料，是通過向聚合物基體中添加高導(dǎo)熱填料的方法來制備。因此目前國內(nèi)外導(dǎo)熱聚合物材料的研究主要集中在填充型導(dǎo)熱聚合物材料方向。

導(dǎo)熱聚合物；材料；導(dǎo)熱性能；制備填充型

1　本征型導(dǎo)熱聚合物的研究進(jìn)展

制備本征型導(dǎo)熱聚合物材料的主要途徑：①合成具有高導(dǎo)熱的共軛結(jié)構(gòu)聚合物。如聚乙炔、聚苯胺和聚噻吩等，通過電子導(dǎo)熱機(jī)制實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)。②通過外界的模壓或者定向拉伸，以及外加電場(chǎng)或者磁場(chǎng)等外力使小分子單體在聚合的時(shí)候有序排列，從而增加其聚合物的有序性和結(jié)晶度，進(jìn)而通過聲子振動(dòng)來獲得本征型導(dǎo)熱絕緣高分子材料。③在制備聚合物材料的時(shí)候，盡量減少材料內(nèi)部的缺陷，從而通過減少聲子散射來提高材料本征導(dǎo)熱系數(shù)的方法。④可以通過化學(xué)合成剛性鏈或者容易結(jié)晶的小分子單體或者在分子鏈上引入液晶結(jié)構(gòu)，這樣的小分子單體聚合以后可以使聚合物的結(jié)晶度或者分子間的作用力增強(qiáng)，從而提高聚合物的導(dǎo)熱系數(shù)。

2　導(dǎo)熱性能影響因素

影響聚合物基復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能的因素諸多，主要有填料的形狀、大小、添加量、界面積、在基體中的分散性、取向性、與基體的界面結(jié)合等因素。另外，基體以及無機(jī)填料本身的導(dǎo)熱性能也直接影響聚合物復(fù)合體系的導(dǎo)熱系數(shù)。研究表明，根據(jù)填料單一的物理參數(shù)來預(yù)測(cè)聚合物復(fù)合體系的導(dǎo)熱性能是不可取的，聚合物和填料各種因素的綜合效應(yīng)決定了聚合物復(fù)合體系的導(dǎo)熱性能。導(dǎo)熱填料對(duì)聚合物復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響可以歸納為下列幾點(diǎn)：

2.1填料本身的導(dǎo)熱性能及添加分?jǐn)?shù)

填料的導(dǎo)熱系數(shù)越高，聚合物基復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能就會(huì)越好，這是很容易理解的道理。填料的添加分?jǐn)?shù)對(duì)導(dǎo)熱性能的影響與填料以及聚合物本身的導(dǎo)熱性能相關(guān)聯(lián)：當(dāng)填料的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于聚合物導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)，隨著高導(dǎo)熱填料添加分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合體系的導(dǎo)熱系數(shù)增大。

2.2填料尺寸大小和形狀

非金屬填料填充的聚合物復(fù)合體系熱量的傳遞載體主要是聲子。根據(jù)物理學(xué)理論，大的界面面積會(huì)增加兩相間的聲子散射，從而增大熱傳導(dǎo)的阻力。從這一點(diǎn)我們可以推斷，在同樣的添加量下，填料尺寸越大，界面面積就越小，聚合物復(fù)合體系的導(dǎo)熱性能會(huì)越好。然而，在最近的一些研究中卻得到了相反的結(jié)果。至今仍然無法清楚地解釋這一原因。填料尺寸分布的因素可能是造成這一現(xiàn)象的原因。填料的形狀對(duì)聚合物復(fù)合體系的導(dǎo)熱性能具有重要影響。研究表明，具有高比表面積的填料如晶須狀和片狀填料分布在聚合物基體中更容易形成聲子導(dǎo)熱通道，有利于導(dǎo)熱性能的提高。

2.3填料微觀分布

聲子導(dǎo)熱通道的形成依賴于填料粒子相互接觸，并形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。填料在聚合物基體中的分散性和相互接觸的狀態(tài)有利于聲子導(dǎo)熱通道的形成。事實(shí)證明只追求填料在聚合物中的良好分散性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

2.4多組分填料對(duì)填充復(fù)合體系導(dǎo)熱性能的影響

復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能受界面熱阻的影響，降低界面熱阻是提高導(dǎo)熱性能的方式之一。填充多組分高導(dǎo)熱無機(jī)填料，一方面增加聲子導(dǎo)在不同晶體的聲學(xué)錯(cuò)位，另一方面有可能降低填料之間的界面熱阻。

3　導(dǎo)熱聚合物研究中存在的問題

雖然各個(gè)國家在高導(dǎo)熱聚合物基材料的研究上投入了大量的人力物力，并且高導(dǎo)熱聚合物材料也獲得了初步的應(yīng)用。但由于聚合物本身較低的導(dǎo)熱系數(shù)或者通過摻雜高含量的導(dǎo)熱填料獲得的高導(dǎo)熱性能的同時(shí)所引起的機(jī)械等性能急劇惡化等問題的存在，說明現(xiàn)有的材料還不是理想的導(dǎo)熱填料。所以目前理想的高導(dǎo)熱材料的制備研究中的存在的主要問題可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

①合成新型本征導(dǎo)熱聚合物。本征型聚合物不使用導(dǎo)熱粒子，在高聚物合成和成型加工過程中通過改變聚合物分子和鏈節(jié)的結(jié)構(gòu)而提高導(dǎo)熱性能。

②對(duì)于填充型的高導(dǎo)熱合物基復(fù)合材料，高導(dǎo)熱填料的有效選擇。

③導(dǎo)熱填料表面改性和在聚合物基體的分散。

④有效導(dǎo)熱模型的建立。無論是本征型還是填充型的導(dǎo)熱聚合物材料的研究，都是很重要也極具挑戰(zhàn)的研究，除了上述提到的幾個(gè)比較基本研究問題外，還有很多問題有待解決。

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（作者單位：成都理工大學(xué)，材料與化學(xué)化工學(xué)院）