粉體填充聚合物材料的熱傳導理論

＊靳曉雨

（佛山市三水金戈新型材料有限公司 廣東 528131）

粉體填充聚合物材料的熱傳導理論

＊靳曉雨

（佛山市三水金戈新型材料有限公司 廣東 528131）

粉體填充聚合物技術(shù)本身為NASA的航空材料技術(shù)，為了解決航天器重量和導熱性的矛盾設置的折中技術(shù)。但近年來，因為該技術(shù)的逐漸成熟和普及，國內(nèi)越來越多的手機外殼使用了納米粉體顆粒填充聚苯乙烯技術(shù)作為導熱外殼。本文重點研究多種不同方案對粉體填充聚合物的導熱性質(zhì)的影響。

粉體填充聚合物；熱傳導；導熱系數(shù)

粉體填充聚合物是通過在聚合物中填充不同材料的粉體，以改善聚合物性質(zhì)的重要手段。因為成本目標的影響，目前的電子產(chǎn)品外殼多采用聚合物材質(zhì)，但聚合物材質(zhì)導熱性能差，容易造成電子產(chǎn)品散熱性能不良。之前在結(jié)構(gòu)學上采用在聚合物外殼內(nèi)貼石墨乙烯層的方式加強散熱，或者部分高端手機采用鋁合金邊框的形式加強散熱，但散熱性能均不能達到理想狀態(tài)。所以，近年來通過在聚合物中添加均勻的導熱粉體，形成導熱聚合物。

1.粉體填充聚合物理論

有多種理論模型證實粉體填充聚合物的導熱效率和系統(tǒng)強度之間的關(guān)系。在確保粉體填充聚合物強度的基礎(chǔ)上，對粉體填充聚合物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行充分的革新，使其強度增加且熱導性系數(shù)增大是此類研究的主要目的。本文重點研究粉體填充聚合物的熱導系數(shù)問題，而沒有考察其強度和其他特性問題。所以本文對粉體填充聚合物熱導率理論進行了簡化。

根據(jù)Russell理論，聚合物本身的熱導率、粉體熱導率對復合材料的熱導率都有影響，其影響規(guī)律如公式（1）。

其中：V為填充粉體占總體積的體積分數(shù)。λ1為聚合物本身的熱導率。λ2為粉體熱導率。λ為復合材料的熱導率。

根據(jù)該理論，在恒定的聚合物熱導率環(huán)境下，填充恒定比例的粉體，則粉體的熱導率越高，粉體填充聚合物的熱導率就越高。而同樣在恒定的聚合物熱導率環(huán)境下，填充恒定熱導率的粉體，那么填充粉體的比例越高，粉體填充聚合物的熱導率就越高。因為聚合物的熱導率明顯低于粉體，所以，粉體填充聚合物的熱導率不可能超過填充粉體材料的熱導率。而填充粉體的比例增加到一定程度，粉體填充聚合物的物理抗性會下降，使得粉體變脆容易折斷。所以，我們研究盡可能低的粉體填充比例形成盡可能高的粉體填充聚合物熱導率。這就需要研究填充粉體的種類、形態(tài)、比例對粉體填充熱導率的影響。

綜上，本文研究的目的是充分加大粉體的加入體積比，讓V參數(shù)在確保系統(tǒng)強度的情況下充分放大，以獲得足夠高的導熱系數(shù)。雖然本文對系統(tǒng)強度不做具體研究，但粉體的填充體積比可能嚴重影響粉體填充聚合物在薄層和細長狀態(tài)下的強度。所以，在加大體積比的同時，還應該保證恒定體積比下通過選擇合適的粉體材料讓系統(tǒng)提供更大的熱導系數(shù)。

2.不同填充材料的實證影響

因為石墨乙烯材料最早用來制作貼片進行聚合物材料的熱導率改善，所以最早用來進行粉體填充的粉體材料是石墨粉體和氮化鋁粉體。經(jīng)過理論計算和實證研究，石墨粉體和氮化鋁粉體對粉體填充聚合物的的影響是類似的。而且，其實測值都略高于理論值。

石墨本身的熱導率較高，在填充比例達到50%的時候，就表現(xiàn)出明顯的熱導系數(shù)的提升，達到了2．2W·（m·K）-1以上。但是，石墨與大部分聚合物的熱漲系數(shù)并不一致，這就導致了石墨粉體填充的聚合物容易出現(xiàn)過早的蜂窩狀老化的現(xiàn)象。蜂窩狀老化出現(xiàn)后，石墨粉體填充聚合物的熱導性能就會急劇下降。所以，石墨粉體填充材料在出現(xiàn)后不久就開始被下一代產(chǎn)品所替代。

氮化鋁是一種熱漲系數(shù)更接近聚苯乙烯聚合物的專用填充用化合物粉體，因為良好的熱漲同步性，所以氮化鋁粉末在聚苯乙烯中的填充可以達到很高的比例。實測中，氮化鋁顆粒的填充量可以達到60%。而當?shù)X填充量達到40%以上時，因為氮化鋁粉末顆粒之間出現(xiàn)了泡沫狀的聯(lián)合，其導熱性能出現(xiàn)指數(shù)型的上漲。特別是氮化鋁粉末顆粒的填充比例達到60%時，其實測值已經(jīng)遠高于理論值（此時理論值約1．5W·（m·K）-1，實測值達到了4．3W·（m·K）-1）。但是，單純對氮化鋁的粉體填充研究并不能徹底滿足電子產(chǎn)品的散熱需要，單純填充氮化鋁粉體顆粒的粉體填充聚合物最高只能達到5W·（m·K）-1的熱導系數(shù)。該系數(shù)與傳統(tǒng)的航空鋁外殼熱導系數(shù)之間仍有較大的差距。

本文研究的最終目的，是讓粉體填充聚合物的熱導系數(shù)接近航空鋁材的熱導系數(shù)。為了實現(xiàn)該目的，本文充分研究了不同比例的粉體顆粒添加體積比的同時，還做了不同形態(tài)顆粒的粉體填充聚合物研究。

3.不同形態(tài)填充材料之間的差異

從上文分析，讓填充粉體顆粒之間形成交聯(lián)，形成蜂窩狀的導熱結(jié)構(gòu)，可以大幅度提升分體填充聚合物的導熱系數(shù)。因為粉體填充聚合物的導熱性能主要依靠粉體顆粒實現(xiàn)，當粉體顆粒之間距離足夠近，特別是當粉體顆粒之間發(fā)生物理連接的時候，粉體填充聚合物的導熱性能就會明顯增加。

在納米技術(shù)的支持下，特別是納米熱成型技術(shù)的支持下，可以將粉體顆粒在高目數(shù)下做成任何形狀。本文研究了球形顆粒、纖維顆粒、片狀顆粒對熱導系數(shù)的曲線影響。通過實證對比分析，球形顆粒更接近理想狀態(tài)模型的計算結(jié)果（如公式（1）），片狀顆粒略向上偏離路線，在V達到30%時，其實際讀書達到預期值的5倍左右。當V達到45%前后，略向下彎。而V達到50%以上時，繼續(xù)呈指數(shù)放大趨勢。

在纖維狀粉體顆粒中，因為其長軸短軸比例特別大，所以，在體積密度達到10%時，其交聯(lián)特性就開始發(fā)揮，當其體積密度達到30%左右時，其熱導系數(shù)就達到了9W·（m·K）-1。通過對比，本文實驗完全支持粉體顆粒使用纖維型納米構(gòu)造。

4.效果討論

采用纖維狀粉體顆粒效果更好。納米纖維技術(shù)是當前較普遍的纖維技術(shù)。本文研究中發(fā)現(xiàn)石墨顆粒和氮化鋁顆粒之間的比較中，氮化鋁顆粒更加適應作為填充粉體。因為目前的納米粉體顆粒技術(shù)，氮化鋁更容易形成不同的形狀。而石墨顆粒在較早的納米顆粒技術(shù)中，其可塑性低于氮化鋁。

但是因為氮化鋁纖維難以形成較小的直徑，所以也就難以形成較大的長軸短軸比例。而碳納米管的技術(shù)逐漸成熟，特別是石墨烯技術(shù)的逐漸成熟，讓后續(xù)研究對碳基粉體顆粒的應用逐漸被研究機構(gòu)重視。

5.結(jié)束語

通過分析，使填充粉體的長軸短軸比例足夠大，同時合理的增加填充粉體的體積比，可以讓填充粉體聚合物的導熱系數(shù)達到理想的效果。在后續(xù)研究中，通過使用單體導熱系數(shù)更高的顆粒材料，通過使用更合理的填充粉體顆粒形態(tài)，通過合理調(diào)整粉體填充顆粒物的填充比例，可以做出超越航空鋁材的粉體填充聚合物材料。

[1]高本征,胡妞,黃山.不同粒徑球形氧化鋁粉體填充硅橡膠熱導率研究[J].當代化工.2015-07(21):63-65.

靳曉雨（1982～），男，佛山市三水金戈新型材料有限公司，研究方向：聚合物改性及功能性粉體開發(fā)。

((責任編：李鵬波)

Thermal Conduction Theory of Powder-filled Polymeric Material

Jin Xiaoyu

(Sanshui Jinge New Materials co., ltd of Foshan, Guangdong, 528131)

Powder-filled polymer technology belongs to the NASA aeronautical material technology and it is the compromise technology set for solving the contradiction between spacecraft weight and thermal conductivity. However, recently, because of the gradual maturity and popularity of this technology, more and more domestic mobile phone shells have adopted the nanometer powder-filled polystyrene technology as the thermal conductivity shell. This paper has focused on studying the influence of different plans on the thermal conductivity property of powder-filled polymer.

powder-filled polymer；thermal conduction；thermal conductivity coefficient

T

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