對高導熱聚合物基復合材料的制備與性能的分析

張樹華

（武漢紡織大學 材料科學與工程學院 湖北 武漢 430200）

對高導熱聚合物基復合材料的制備與性能的分析

張樹華

（武漢紡織大學 材料科學與工程學院 湖北 武漢 430200）

電子封裝與大功率電子設備等領域對高導熱聚合物基復合材料有著較大的市場需求。通常來說，高導熱聚合物通過在分子基體中均勻分散高含量的導熱填料而實現(xiàn)導熱的目的，而高填料含量將極大影響復合材料的性能并提高其成本，較難滿足工業(yè)需求。因此，本文對高導熱聚合物基復合材料的制備與性能加以分析，摸索出低填量的復合材料，以供借鑒。

高導熱；聚合物基復合材料；制備方法；性能影響

1 引言

隨著我國經濟的不斷發(fā)展，當前我國電子設備逐漸朝著集成化與微型化的方向發(fā)展，人民對電子設備的需求日益提高，解決大功率的集成電路的散熱問題逐漸成為電子設備技術開發(fā)人員所面臨的又一重要挑戰(zhàn)。基于此，電子設備領域應設法提高不同類型高導熱復合材料的導熱性能。

2 不同類型的高導熱復合材料的制備

2.1 石墨烯

石墨烯具有極強的導熱性(～5000W//(m?K))與機械強度，其共軛分子面結構可為聲子傳導提供理想的二維通道。微米級石墨烯因其具有較大的表面積，增加了與聚合物基體的接觸。基于此，人們將石墨烯視為實現(xiàn)高導熱的極佳填料，因此受到研究人員的廣泛關注。

因石墨烯片網絡結構是一種可在低填量的條件下，明顯提高基體導熱的材料，因此通過構造氧化鈰石墨液晶，經過定向冷凍與高溫退火等方法制備出垂直對齊、相互聯(lián)通的石墨烯片網絡結構，令該種材料作為環(huán)氧樹脂基體的填料。在石墨烯含量大約為1vol%時，復合材料的導熱性大約達到了2W//(m?K)，較純環(huán)氧樹脂提高了10倍以上。

2.2 氮化硼

氮化硼的導熱性能在常溫下可達400W//(m?K)，與銅、銀的導熱性相近，另外，氮化硼具有較佳的絕緣性能，在導熱材料中具有較大的發(fā)展前景。例如，利用可控極性冷凍氮化硼納米片的懸浮液，先制備出3D-BNNS凝膠，而后用火燒結凝膠。最后在三維骨架中倒入環(huán)氧樹脂，并將制備出的材料加以凝固，最終制備出的3D-BNNS復合材料具有了極大的導熱效果，并在其體積分數(shù)到達10%時，平行與垂直于結冰方向的導熱率分別達到2.8W//(m?K)與2.4W//(m?K)，同時填料的含量相同的情況下，導熱性能大大領先于無規(guī)則分散的3D-BNNS復合材料。

2.3 碳納米管

SWCNTs（單壁碳納米管）具有超強的導熱性能，MWCNTs（多壁碳納米管）在外壁損壞的情況下并不會對內壁的導熱性造成影響，因此，納米管作為高導熱聚合物基復合材料具有較大的發(fā)展?jié)摿?。例如，運用乳膠技術將多壁碳納米管吸附在微米聚合物的顆粒上，而后在熱壓條件下制作出含多壁碳納米管的網狀結構的復合材料。結果經熱壓制成的復合材料的導熱性能高達17W/(m?K)。

2.4 金屬填料

金屬粒子填充物既可以有效提升基體的導熱能力，也可以有效提高基體的發(fā)電能力。目前的金屬填料主要選取金屬納米線，納米線以其具有較高的縱橫比與結合性能的特性，成為獲取三維導熱網絡的必要所在。通過某種表面修飾的方法可制備出分散性能較強的單晶銅納米管，其平均直徑約80納米，長度在幾十至幾百微米之間。將上文的納米線應用于基體填料，銅納米線含量約為1vol%時，銅納米線的熱導性能達到約2.5W/(m?K)，與基體相比，其熱導性能提高了10倍以上[1]。

3 高導熱復合材料導熱性能影響因素

3.1 填料種類

填料的種類不同，其導熱性能也有所不同，聚合物的常用填料主要有無機導熱填料、炭基材料填料、金屬粒子填料。其中無機導熱填料主要包括AlN、Al2O3與Si3N4，炭基材料填料主要包括碳納米管、炭纖維與石墨烯，金屬粒子填料主要包括Ag、Cu與Al。填料被應用的側重點也有所不同，其中，無機導熱填料以用于制備絕緣導熱聚合材料為主，而金屬粒子、炭基材料以用于對絕緣性并無要求的聚合材料領域。而目前階段，我國用于低填充高導熱聚合材料的填料以炭基材料填料與金屬粒子填料為主。

3.2 填料形貌

填料的形貌影響著基體導熱性能的提升，其影響也被電子集成設備領域的技術開發(fā)人員所廣泛研究，尤其是對填料的不規(guī)則分布情況的研究尤為突出。填料的形貌根據(jù)其自身性質劃分，可分為零維、一維、二維、三維等不同類型。同時，填料的形貌根據(jù)不同的加工工藝又可分為自帶氣象的一維結構、二維結構、三維連續(xù)網狀結構及無規(guī)則分布的結構。而在當前的研究中，則以三維連續(xù)網狀結構為主。

3.3 填料取向

不同導熱填料自身帶有各異的導熱能力。該類填料一般為非球形的填料，如：石墨烯、碳納米管等，該類型填料可通過高分子基體令其保持一定的取向，從而獲得極高的導熱能力，但其垂直方向的導熱性能較低，尤其是在填充量較低的情況下建立的網狀結構中不同取向的導熱能力具有較為明顯的差異。例如，通過將單向冰凍下的自組裝冰模板方法與環(huán)氧是指滲入法相結合，制備出三維網狀結構氮化硼/環(huán)氧樹脂復合材料。該方法制備出的材料較直接放入冰箱中冰凍得來的無規(guī)則分布的復合材料在取向在平行方向上的導熱上的差距十分明顯，是后者的2.5倍。

3.4 填料表面處理

為減小材料表面的熱阻礙并提高材料的導熱性能，需要技術人員對填料的表面進行細致的處理。填料的表面改性有兩種方法，分別為共價鍵連接與非共價鍵連接。在目前階段的研究中所遇到的重要問題是填料與分子基體間的熱阻較高。為減小熱阻，技術人員將問題解決的重點放在填料的表面改性上，通過填料改性，加強填料與聚合物的互容。但實際操作中，由于改性不全面或填料經改性導熱能力下降，使得基體材料的導熱未能達到理想效果[2]。

4 結論

總之，對高導熱材料的研究是我國電子集成設備領域的一項重要內容，但就目前來開，主要應該加強對低造價、高導熱性的填料的開發(fā)與利用，不斷減少限制因素的影響并摸索制備的創(chuàng)新方法，促進高導熱材料的發(fā)展。

[1]吳宇明，虞錦洪，曹勇.高導熱低填量聚合物基復合材料研究進展[J].復合材料學報，2017，23：1-9.

[2]趙維維，傅仁利，顧席光.聚合物基復合材料的界面結構與導熱性能[J].材料導報，2013，2705：76-79+86.

TB33 【文獻標識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）01-0199-02

張樹華（1997-），男，漢，湖北省武漢市人，學生，在讀本科。研究方向：復合材料專業(yè)的研究性學術論文。