導(dǎo)熱填料在絕緣高分子材料中的應(yīng)用

樂碧蘭 季慧

摘 要：按材料制備工藝將導(dǎo)熱絕緣高分子材料區(qū)分大致可分為本體型導(dǎo)熱絕緣高分子材料和填充型導(dǎo)熱絕緣高分子材料。本體型導(dǎo)熱絕緣高分子是在材料合成及成型加工過程中，通過改變材料分子和鏈節(jié)結(jié)構(gòu)獲得特殊物理結(jié)構(gòu)，從而獲得導(dǎo)熱性能；填充型導(dǎo)熱絕緣高分子材料是在普通高分子中加入導(dǎo)熱絕緣填料，通過一定方式復(fù)合而獲得導(dǎo)熱性能。本文就導(dǎo)熱填料在絕緣高分子材料中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)熱填充；高分子材料；應(yīng)用

引言

在聚合物中填充高導(dǎo)熱性的填料，是制備導(dǎo)熱絕緣高分子材料比較常用的方法。目前，國(guó)外高導(dǎo)熱絕緣高分子材料仍以填充型為主，即將導(dǎo)熱填料填充到有特定要求的絕緣樹脂材料中，從而提高絕緣系統(tǒng)的導(dǎo)熱性能。

一、導(dǎo)熱絕緣高分子復(fù)合材料中填料種類

金屬填料的導(dǎo)熱，必須要通過電子的運(yùn)動(dòng)，由于填料種類不同，各種類型的的導(dǎo)熱原理也不一樣，聲子是金屬填料進(jìn)行導(dǎo)熱的主要工具，結(jié)合基團(tuán)及鄰近原子的振動(dòng)，決定熱能的擴(kuò)散速率。非金屬晶體和晶體非金屬是非金屬的兩大類；金屬的熱導(dǎo)率比晶體非金屬高。對(duì)于強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)合材料，在晶體晶格中進(jìn)行傳熱，通常很有效，特別是溫度非常低時(shí)，材料的熱導(dǎo)率比較好，但是，如果溫度升高，晶格的抗熱流性，會(huì)因?yàn)闊徇\(yùn)動(dòng)而增加，導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低。

二、導(dǎo)熱填料的分類與應(yīng)用

2.1氧化物導(dǎo)熱填料的應(yīng)用

以氧化物為主的導(dǎo)熱填料主要包括了以Al2O3（氧化鋁）、MgO（氧化鎂）、和ZnO（氧化鋅）等，由于氧化物導(dǎo)熱填料具有優(yōu)越的導(dǎo)熱性能和良好的電絕緣性，因此也常被用于絕緣高分子導(dǎo)熱材料中。以針狀A(yù)l2O3為例，雖然其原料的價(jià)格較低，但是由于其體積小因此填充量較少，因此在以液體硅膠為主的絕緣高分子材料中，一般針狀氧化鋁的填充量基本固定在300份左右，使得其填充后對(duì)高分子材料的導(dǎo)熱率提升受到較大的限制；另一方面，球狀A(yù)l2O3雖然填充量較大且導(dǎo)熱性能較高，但其填充的價(jià)格和生產(chǎn)成本較高，因此也限制了絕緣高分子材料的導(dǎo)熱性能。現(xiàn)代高分子技術(shù)通過將氮化硼與氧化鋁結(jié)合，使其共同作為絕緣高分子材料的導(dǎo)熱填料。將上述方法應(yīng)用到絕緣高分子材料的導(dǎo)熱填充過程中，在保證了相關(guān)設(shè)備具有良好導(dǎo)電性能的同時(shí)，大幅度地提高了絕緣高分子材料的導(dǎo)熱率，使得設(shè)備的散熱效果明顯提升，同時(shí)，對(duì)其原料的生產(chǎn)和加工過程的成本也要低于單一的以Al2O3為導(dǎo)熱填料的高分子絕緣材料的生產(chǎn)成本。

2.2氮化物導(dǎo)熱填料的應(yīng)用

以氮化物作為導(dǎo)熱填料的絕緣高分子材料具有導(dǎo)熱性能高、電絕緣性能好以及內(nèi)高溫等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用與絕緣高分子材料中。以氮化鋁（AlN）為例，由于其是以AlN4的正四面體為單位材料結(jié)構(gòu)的共價(jià)化合物，因此氮化鋁具有較高的導(dǎo)熱性能，通過在環(huán)氧樹脂中填入氮化鋁，可以使大幅度提高填充型環(huán)氧樹脂導(dǎo)熱材料的耐熱性和應(yīng)力性，且氮化鋁加入后，對(duì)其導(dǎo)電性能的影響微乎其微，有效地提高了相關(guān)設(shè)備的散熱性。但在實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用過程中，由于原料的價(jià)格比較昂貴，且AlN在受潮后易與水發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氫氧化鋁，導(dǎo)致電路中斷，從而降低設(shè)備的導(dǎo)熱性能，因此在進(jìn)行以氮化物作為絕緣高分子材料的導(dǎo)熱填料時(shí)，需要根據(jù)具體的設(shè)備情況進(jìn)行綜合性的考慮。

2.3碳化物導(dǎo)熱填料的應(yīng)用

近年來，以碳化物為導(dǎo)熱填料的絕緣高分子材料的應(yīng)用越來越廣泛，其中尤以以碳化硅和碳化硼的應(yīng)用最為常見。以SiC 為例，由于其是一種共價(jià)鍵相對(duì)較強(qiáng)的化合物，且一般以六方晶體形態(tài)存在，結(jié)構(gòu)類似于金剛石，因此具有強(qiáng)度大、耐高溫、抗腐蝕和導(dǎo)熱性能好及熱穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)。通過將碳化硅最為導(dǎo)熱填料應(yīng)用到微電子的封裝材料中可以大幅度提高相關(guān)設(shè)備的散熱率并提升設(shè)備的使用壽命。以碳化物最導(dǎo)熱填料的缺點(diǎn)是在進(jìn)行材料合成的過程中，碳和石墨難以去除，降低了產(chǎn)品的純度，同時(shí)較高的電導(dǎo)率限制了其在絕緣性能要求較高材料中的應(yīng)用。

三、填料對(duì)熱導(dǎo)率影響的因素

3.1填材料徑大小的影響

體系熱導(dǎo)率，受基體樹脂粉的末料徑及填料徑的大小影響。超細(xì)微化對(duì)導(dǎo)熱填料處理以后，導(dǎo)熱填料導(dǎo)熱的性能可以有效地提升，導(dǎo)熱進(jìn)料越細(xì)，在絕緣的高分子材料中，該導(dǎo)熱填料相互接觸和作用以及分散，就會(huì)越有利，從而使熱導(dǎo)率得以有效地提升。在高填充量下，熱導(dǎo)率受粒徑大小的影響比較小，基體樹脂內(nèi)部在基體樹脂比較高的狀態(tài)下，導(dǎo)熱的網(wǎng)鏈已經(jīng)形成了，可以將粒徑大小所產(chǎn)行的影響忽視。

3.2填料微觀表面形態(tài)的影響

不同微觀的填料，微觀的形態(tài)及幾何結(jié)構(gòu)也不相同，對(duì)材料的影響也很大。在基體的樹脂中，形成的導(dǎo)熱網(wǎng)鏈和填料分布的狀態(tài)，都會(huì)嚴(yán)重地影響體系的熱導(dǎo)率。片狀和粒狀以及纖維等是主要的導(dǎo)熱填料，在材料中分散形狀之間，若導(dǎo)熱填料將鏈狀或者網(wǎng)狀的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，相互結(jié)合而形成，適合絕緣高分子材料熱導(dǎo)率的提升的首選材料，就是導(dǎo)熱填料。

3.3填料表面處理的影響

處理填料表面對(duì)于基體界面聲子和填料的散射，界面間熱阻的降低，對(duì)熱導(dǎo)率的提升具有一定的影響。有機(jī)樹脂基本的界面與無機(jī)粒子的相容性非常差，基體的粒子容易聚集而成團(tuán)，很難分散。因此，對(duì)于導(dǎo)熱粒子的表面必須要進(jìn)行處理，致使兩者界面的結(jié)合情況，得以有效地改善。填料表面的潤(rùn)濕程序?qū)μ盍戏稚⒌臓顟B(tài)有一定的影響，同時(shí)，還會(huì)影響到填料與基體粘結(jié)的程度，以及基體與填料界面熱障的大小，特別是納米填料，如果對(duì)于納米填料表面不能進(jìn)行有效地改性，就不能夠在高分子基體中，以納米的尺寸進(jìn)行分散。

3.4填料添加量的影響

填料的用量比較低時(shí)，利用低熱導(dǎo)率和高熱導(dǎo)率，對(duì)于高分子材料熱導(dǎo)率的影響比較小，主要是填料的用量比較少，基體完全將其包裹在內(nèi)，熱阻比較大，基體樹脂熱導(dǎo)率決定熱導(dǎo)率，因此，填料的用量必須要達(dá)到一定的程度，才能夠影響到材料熱導(dǎo)率。因?yàn)閷?dǎo)熱填料填充量太小時(shí)，導(dǎo)熱填料之間相互的作用和真正的接觸都沒有形成，對(duì)于提升導(dǎo)熱的性能根本沒有作用。導(dǎo)熱填料填充量必須要達(dá)到臨界值時(shí)，導(dǎo)熱填料之間才能夠產(chǎn)生相互的作用，體系中的鏈狀導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)及類似的網(wǎng)狀，才能夠形成，從而使導(dǎo)熱填料的導(dǎo)熱系數(shù)提以提升。

四、導(dǎo)熱絕緣高分子材料綜合性能提升方法

由上述對(duì)不同導(dǎo)熱填料的分析可知，每種導(dǎo)熱調(diào)料都有其自身的優(yōu)勢(shì)和不足，因此在進(jìn)行導(dǎo)熱填料的選擇時(shí)，需要將導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、生產(chǎn)流程和生產(chǎn)成本等因素進(jìn)行綜合考慮，從而選出最合理的導(dǎo)熱填充方式。

在生產(chǎn)中充分利用導(dǎo)熱填料和絕緣高分子材料不同的特點(diǎn)，通過合理選擇表面處理劑對(duì)兩種材料進(jìn)行處理，從而提高二者的相容性，在提高材料導(dǎo)熱性的同時(shí)，有效地避免了因填料的填充造成的材料力學(xué)性下降的情況發(fā)生。另一方面，在對(duì)導(dǎo)熱率具有較高要求的絕緣高分子材料進(jìn)行填充時(shí)，通過選擇導(dǎo)熱系數(shù)高的填料，綜合填充價(jià)合理地填充導(dǎo)熱原料，從而增加相關(guān)絕緣高分子材料的導(dǎo)熱性。最后，在進(jìn)行絕緣高分子材料的成型工作中，由于溫度、加工時(shí)間和壓力等方面均會(huì)影響高分子材料的綜合性能，因此，在進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，需要通過對(duì)填充方法進(jìn)行綜合性考慮，從而是高分子材料的導(dǎo)熱性能達(dá)到最大化。

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，電氣和機(jī)械以及電子等都在快速地發(fā)展，對(duì)于導(dǎo)熱絕緣的高分子材料要求也增高了，未來發(fā)展的方向，就是導(dǎo)熱絕緣高分子材料，不但要熱導(dǎo)率高，綜合性也要好。

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