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高分子材料用导热填料研究综述

发布日期:2019-12-16 作者: 点击:

导热高分子材料由于具有良好的热交换性能,在航空航天飞行器、电子封装、化工热交换器、LED等许多领域中都有着非常广泛的应用。

对导热高分子材料来说,提高材料的导热性能是关键。目前,生产导热高分子材料简单有效的办法是在高分子材料中添加导热填料,此方法能够有效提高导热高分子材料的热导率,且工艺简单,利于工业化生产。

金属填料


聚合物中添加金属粉末是提高材料导热性能的有效方法,在金属晶体中,热传导主要通过内部大量自由电子的定向移动,常用的金属填料有银、铜、铝、镁、镍等。金属粉末在具有高导热系数的同时也具有导电性能,使得制成的导热塑料表面电阻较低,具有一定的导电性。在对电绝缘性能要求较高的电子电器领域,对制件的表面电阻要求较高,这是金属填充聚合物的一大缺陷。


对于微米铝粉填充环氧树脂的导热性能进行研究发现,当铝粉填充体积分数达到40%时,复合材料的导热系数发生突变,导热系数为3.5W/(m·K)。



氧化物填料



氧化物填料主要有氧化铝、氧化镁、氧化锌等,它们具有一定的导热能力,电绝缘性能优良。氧化物填料主要以与氮化物混杂的方式填充绝缘高分子材料,从而可以提高材料的热导率,保持稳定的电性能,降低生产成本。



氧化铝





氧化铝是一种多功能无机填料,具有较大的导热系数、介电常数以及较好的耐磨性能,另外,其价格便宜,因此被广泛应用于导热复合材料填料。


以氧化铝为填料填充环氧树脂,当填料体积达60%时,复合材料热导率可达4.3W/(m·K)。


针状氧化铝的价格低,但填充量小,在液体硅胶中,普通针状氧化铝的最,大添加量一般为300份左右,因此所得产品的热导率有限。而球形氧化铝的填充量大,在液体硅胶中其最,大添加量达到600~800份,所得制品的热导率高,同时价格较高,但低于氮化硼和氮化铝的价格。



氧化镁



氧化镁为白色或淡黄色粉末,耐火性能良好。氧化镁的价格低,在空气中易吸潮,增粘性较强,不能大量填充,且耐酸性差,很容易被酸腐蚀,限制了其在酸性环境中的应用。


以MgO(40~325目)为导热填料共混填充聚苯硫醚(PPS),发现MgO填充量为80%时,PPS复合材料的热导率3.4W/(m·K),并保持较好的力学性能和电绝缘性能。



氧化锌



氧化锌的粒径及均匀性很好,适合生产导热硅脂,但其热导率偏低,不适合生产高导热产品;质轻,增粘性强,也不适合灌封。



氮化物填料



常用的氮化物填料有氮化铝、氮化硼、氮化硅等,具有导热系数高、热膨胀系数低、介电常数低、耐高温等优点,是提升绝缘体系导热性能的最,佳填料。



氮化铝



氮化铝是原子晶体,属金刚石氮化物类,可在2200℃高温下稳定存在,其导热性能好,热膨胀系数小,是良好的耐热冲击材料。氮化铝的导热系数接近氧化硼和碳化硅的导热系数,比氧化铝的导热系数大5倍以上。


应用双粒度氮化铝混合填充环氧树脂,研究了氮化铝颗粒的添加量、级配填充对复合材料的导热性能的影响规律,研究发现粒径20μm与3μm质量比为4/6,填充量为60%,热导率达1.373W/(m·K),比其他同类型产品热导率提高了30%。



氮化硼



氮化硼属六方晶系的层状结构,与石墨结构类似,具有较高的热导率,较低的热膨胀系数,优良的热稳定性,较高的抗氧化性等。但其价格很高,虽然单纯采用氮化硼可以达到较高的热导率,但与氮化铝类似,大量填充后体系的粘度急剧上升,限制其应用。


使用BN作为导热填料填充环氧树脂,由于BN本身具有较高的导热系数、低介电常数和低热膨胀系数,使得制得的复合材料具有良好的综合性能。使用六方BN进行填充的复合材料导热系数达到2.91W/(m·k),而使用立方BN填充的复合材料导热系数可达3.95W/(m·k)。



氮化硅



氮化硅电绝缘性能优异,热导率高达180W/(m·K),强度较高。氮化硅具有α和β两种晶型,均为六方晶系。在实际生产应用中,以β-Si3N4为主。 


采用浇注法制备了氮化硅/环氧树脂复合材料,研究了粒径和添加量对导热性能的影响。结果表明,当氮化硅体积添加量为30%时,复合材料热导率达0.83W/(m·K),采用硅烷偶联剂处理对材料导热性能和力学性能都有所提高。



碳化物填料



碳化物填料主要是碳化硅和碳化硼填料。



碳化硅





碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)和木屑等原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅化学性能稳定,其导热性能优于其他半导体填料,在高温下导热系数甚至大于金属。


为导热填料填充环氧树脂,研究发现,SiC粒子可促进环氧树脂的固化,并在体系中形成导热通路或导热网链,提高力学及导热性能。



碳化硼



碳化硼是一种耐火材料和超硬材料,热导率很高,但价格昂贵,在绝缘高分子材料中应用不是很广泛。


以碳化硼为导热填料来填充天然橡胶材料,发现碳化硼的加入可以提高天然橡胶的热扩散系数,且天然橡胶的热扩散系数经过老化后也有所提高。



其他无机非金属填料



无机非金属填料主要指碳纳米管、石墨、炭黑以及一些矿物原料。



碳纳米管



碳纳米管是由石墨原子单层绕成的管状物,分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管,由于拥有较高轴向热导率,在复合材料中少量添加就可明显改善热导率。


研究了碳纳米管对Al2O3/硅橡胶导热复合材料的增强效果,结果发现:随着碳纳米管填料的增加,复合材料导热性能逐渐增加,碳纳米管的存在有助于填料导热通路的形成,使之协同导热;原预想碳纳米管在体系中伸展后能形成导热通路,可大幅提高导热效率,但由于开炼共混时剪断了长径比极高的碳纳米管,增益效果未能达到预期。



石墨



石墨是一种层状非金属材料,表面光滑,具有优良的润滑性能,在剥离状态下具有较大的形状因数。石墨片层比强度(强度/密度比)较高,导电性能和导热性能优异。且与碳纳米管相比,石墨价格低廉。


采用鳞片石墨填充PA6和PA6//PC体系,填料质量分数30%后可形成导热通路使热导率和电导率快速升高。



总结

电子电器、航空航天、等领域的高速发展,对导热高分子材料提出了更高的要求,兼具高热导率且优良综合性能的导热高分子材料是未来新材料领域的研究重点。






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