中國粉體網(wǎng)訊 導(dǎo)熱高分子材料由于具有良好的熱交換性能，在航空航天飛行器、電子封裝、化工熱交換器、LED等許多領(lǐng)域中都有著非常廣泛的應(yīng)用。
對導(dǎo)熱高分子材料來說，提高材料的導(dǎo)熱性能是關(guān)鍵。目前，生產(chǎn)導(dǎo)熱高分子材料最簡單有效的辦法是在高分子材料中添加導(dǎo)熱填料，此方法能夠有效提高導(dǎo)熱高分子材料的熱導(dǎo)率，且工藝簡單，利于工業(yè)化生產(chǎn)。
常見填料的導(dǎo)熱系數(shù)
金屬填料
聚合物中添加金屬粉末是提高材料導(dǎo)熱性能的有效方法，在金屬晶體中，熱傳導(dǎo)主要通過內(nèi)部大量自由電子的定向移動(dòng)，常用的金屬填料有銀、銅、鋁、鎂、鎳等。金屬粉末在具有高導(dǎo)熱系數(shù)的同時(shí)也具有導(dǎo)電性能，使得制成的導(dǎo)熱塑料表面電阻較低，具有一定的導(dǎo)電性。在對電絕緣性能要求較高的電子電器領(lǐng)域，對制件的表面電阻要求較高，這是金屬填充聚合物的一大缺陷。
喬梁等對微米鋁粉填充環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱性能進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋁粉填充體積分?jǐn)?shù)達(dá)到40%時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)發(fā)生突變，導(dǎo)熱系數(shù)為3.5W/(m·K)。
氧化物填料
氧化物填料主要有氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅等，它們具有一定的導(dǎo)熱能力，電絕緣性能優(yōu)良。氧化物填料主要以與氮化物混雜的方式填充絕緣高分子材料，從而可以提高材料的熱導(dǎo)率，保持穩(wěn)定的電性能，降低生產(chǎn)成本。
氧化鋁
氧化鋁是一種多功能無機(jī)填料，具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)、介電常數(shù)以及較好的耐磨性能，另外，其價(jià)格便宜，因此被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)熱復(fù)合材料填料。
Kazo等以氧化鋁為填料填充環(huán)氧樹脂，當(dāng)填料體積達(dá)60%時(shí)，復(fù)合材料熱導(dǎo)率可達(dá)4.3W/(m·K)。
針狀氧化鋁的價(jià)格低，但填充量小，在液體硅膠中，普通針狀氧化鋁的最大添加量一般為300份左右，因此所得產(chǎn)品的熱導(dǎo)率有限。而球形氧化鋁的填充量大，在液體硅膠中其最大添加量達(dá)到600~800份，所得制品的熱導(dǎo)率高，同時(shí)價(jià)格較高，但低于氮化硼和氮化鋁的價(jià)格。
氧化鎂
氧化鎂為白色或淡黃色粉末，耐火性能良好。氧化鎂的價(jià)格低，在空氣中易吸潮，增粘性較強(qiáng)，不能大量填充，且耐酸性差，很容易被酸腐蝕，限制了其在酸性環(huán)境中的應(yīng)用。
林曉丹等以MgO（40~325目）為導(dǎo)熱填料共混填充聚苯硫醚(PPS)，發(fā)現(xiàn)MgO填充量為80%時(shí)，PPS復(fù)合材料的熱導(dǎo)率3.4W/(m·K)，并保持較好的力學(xué)性能和電絕緣性能。
氧化鋅
氧化鋅的粒徑及均勻性很好，適合生產(chǎn)導(dǎo)熱硅脂，但其熱導(dǎo)率偏低，不適合生產(chǎn)高導(dǎo)熱產(chǎn)品；質(zhì)輕，增粘性強(qiáng)，也不適合灌封。
氮化物填料
常用的氮化物填料有氮化鋁、氮化硼、氮化硅等，具有導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)低、介電常數(shù)低、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，是提升絕緣體系導(dǎo)熱性能的最佳填料。
氮化鋁
氮化鋁是原子晶體，屬金剛石氮化物類，可在2200℃高溫下穩(wěn)定存在，其導(dǎo)熱性能好，熱膨脹系數(shù)小，是良好的耐熱沖擊材料。氮化鋁的導(dǎo)熱系數(shù)接近氧化硼和碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)，比氧化鋁的導(dǎo)熱系數(shù)大5倍以上。
蔚永強(qiáng)等應(yīng)用雙粒度氮化鋁混合填充環(huán)氧樹脂，研究了氮化鋁顆粒的添加量、級(jí)配填充對復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)粒徑20μm與3μm質(zhì)量比為4/6，填充量為60%，熱導(dǎo)率達(dá)1.373W/(m·K)，比其他同類型產(chǎn)品熱導(dǎo)率提高了30%。
氮化硼
氮化硼屬六方晶系的層狀結(jié)構(gòu)，與石墨結(jié)構(gòu)類似，具有較高的熱導(dǎo)率，較低的熱膨脹系數(shù)，優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，較高的抗氧化性等。但其價(jià)格很高，雖然單純采用氮化硼可以達(dá)到較高的熱導(dǎo)率，但與氮化鋁類似，大量填充后體系的粘度急劇上升，限制其應(yīng)用。
Wang等使用BN作為導(dǎo)熱填料填充環(huán)氧樹脂，由于BN本身具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)、低介電常數(shù)和低熱膨脹系數(shù)，使得制得的復(fù)合材料具有良好的綜合性能。使用六方BN進(jìn)行填充的復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到2.91W/(m·k)，而使用立方BN填充的復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)3.95W/(m·k)。
氮化硅
氮化硅電絕緣性能優(yōu)異，熱導(dǎo)率高達(dá)180W/(m·K)，強(qiáng)度較高。氮化硅具有α和β兩種晶型，均為六方晶系。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，以β-Si3N4為主。
王明明等采用澆注法制備了氮化硅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，研究了粒徑和添加量對導(dǎo)熱性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)?shù)梵w積添加量為30%時(shí)，復(fù)合材料熱導(dǎo)率達(dá)0.83W/(m·K)，采用硅烷偶聯(lián)劑處理對材料導(dǎo)熱性能和力學(xué)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）和木屑等原料通過電阻爐高溫冶煉而成。碳化硅化學(xué)性能穩(wěn)定，其導(dǎo)熱性能優(yōu)于其他半導(dǎo)體填料，在高溫下導(dǎo)熱系數(shù)甚至大于金屬。
Nathan等以SiC為導(dǎo)熱填料填充環(huán)氧樹脂，研究發(fā)現(xiàn)，SiC粒子可促進(jìn)環(huán)氧樹脂的固化，并在體系中形成導(dǎo)熱通路或?qū)峋W(wǎng)鏈，提高力學(xué)及導(dǎo)熱性能。
碳化硼
碳化硼是一種耐火材料和超硬材料，熱導(dǎo)率很高，但價(jià)格昂貴，在絕緣高分子材料中應(yīng)用不是很廣泛。
S E Gwaily等以碳化硼為導(dǎo)熱填料來填充天然橡膠材料，發(fā)現(xiàn)碳化硼的加入可以提高天然橡膠的熱擴(kuò)散系數(shù)，且天然橡膠的熱擴(kuò)散系數(shù)經(jīng)過老化后也有所提高。
其他無機(jī)非金屬填料
無機(jī)非金屬填料主要指碳納米管、石墨、炭黑以及一些礦物原料。
碳納米管
碳納米管是由石墨原子單層繞成的管狀物，分為單壁碳納米管和多壁碳納米管，由于擁有較高軸向熱導(dǎo)率，在復(fù)合材料中少量添加就可明顯改善熱導(dǎo)率。
何強(qiáng)等研究了碳納米管對Al2O3/硅橡膠導(dǎo)熱復(fù)合材料的增強(qiáng)效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著碳納米管填料的增加，復(fù)合材料導(dǎo)熱性能逐漸增加，碳納米管的存在有助于填料導(dǎo)熱通路的形成，使之協(xié)同導(dǎo)熱；原預(yù)想碳納米管在體系中伸展后能形成導(dǎo)熱通路，可大幅提高導(dǎo)熱效率，但由于開煉共混時(shí)剪斷了長徑比極高的碳納米管，增益效果未能達(dá)到預(yù)期。
石墨
石墨是一種層狀非金屬材料，表面光滑，具有優(yōu)良的潤滑性能，在剝離狀態(tài)下具有較大的形狀因數(shù)。石墨片層比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度比）較高，導(dǎo)電性能和導(dǎo)熱性能優(yōu)異。且與碳納米管相比，石墨價(jià)格低廉。
Zhou等采用鱗片石墨填充PA6和PA6//PC體系，填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%后可形成導(dǎo)熱通路使熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率快速升高。
結(jié)語
電子電器、航空航天、等領(lǐng)域的高速發(fā)展，對導(dǎo)熱高分子材料提出了更高的要求，兼具高熱導(dǎo)率且優(yōu)良綜合性能的導(dǎo)熱高分子材料是未來新材料領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。
參考資料：
李俊明、虞鑫海等.導(dǎo)熱填料在絕緣高分子材料中的應(yīng)用
方萬漂.聚合物導(dǎo)熱材料用填料及其表面處理的研究進(jìn)展
劉科科、王濤等.高分子復(fù)合材料用導(dǎo)熱填料研究進(jìn)展
喬琳.導(dǎo)熱填料在橡膠中的應(yīng)用研究進(jìn)展
劉升華、朱金華等.不同形狀填料填充導(dǎo)熱復(fù)合材料的研究進(jìn)展
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