导热高分子材料的研究与应用分析

2014-12-24李玥

山东工业技术 2014年21期

李玥

（黑龙江省大庆职业学院化学工程系,黑龙江大庆 163000）

目前，导热高分子材料的分类已基本完成，而且导热塑料、导热橡胶以及导热胶粘剂的发展都比较迅速。导热橡胶在电子电气领域得到了很好地应用，并且可以为电子元件提供一个良好的散热环境，并且可以在一定程度上达到绝缘和减震的效果。导热塑料可以代替金属材料应用在换热和采暖的工程中，还可以用于制作高性能的导热电路板。导热胶粘剂一般应用于电子电气领域的粘接以及封装材料。

1 导热高分子材料的主要类型

（1）导热塑料。正是因为树脂基体本身良好的绝缘性，才使得导热塑料的绝缘性和填充物质的绝缘性之间有密切的关系，一般，人们都以金属氧化物、金属氮化物和B4C3等来作为绝缘导热塑料的填充物质。有研究表明，将硅酸铝纤维和氧化铝纤维填充在聚乙烯和聚丙烯中，形成的复合材料的导热率随着填充纤维量的增加而增加，当纤维的质量所占比例达到35%时，复合材料的导热性能最好。当填充的物质为金属粉、石墨和碳纤维时，导热塑料就变成了非绝缘的。在树脂基体里，石墨以及碳纤维有着非常合理的分布，这可以使复合材料的导热性以及力学特性得到很大的提高。

（2）导热橡胶。一般有结构型和填充型两种导热橡胶，很多研究以及应用都是基于填充型导热橡胶来进行的，而很少有人研究结构型的导热橡胶。将氧化铝作为填充物质，填充到丁苯橡胶中，可以制备出填充型导热橡胶。基于已有的研究，可以了解到，在填充量相同的条件下，填充氧化铝的微米或纳米颗粒能够使导热橡胶具有更好的导热性能。

（3）导热胶粘剂。根据电绝缘性可以将导热胶粘剂分为绝缘导热胶粘剂以及非绝缘导热胶粘剂两种，对导热粘胶剂的应用主要有半导体基片的粘接、管壳的密封和热敏电阻器的导热绝缘等。通过对导热填充物质和固化过程的优化实验分析，可以找到理想的导热填充材料，研制出具有很好导热性能和绝缘性能的粘接剂。将碳纤维填充到粘接剂中，发现沿粘接剂的厚度方向具有很好的导热率，这种胶黏剂可以用来做散热板以及半导体的封装材料。

2 导热高分子材料的理论研究

（1）导热原理。填充的导热物质以及高分子基体在某种程度上影响着导热高分子材料的导热性能，正是因为这种性质以及相互作用之间的关系决定了复合高分子材料的导热性能。高分子基体中没有均匀有序的晶体结构或者载荷子，不能够达到热传递的要求，所以高分子基体的导热性能不是很好。而导热的填充材料，不管是什么样的形态，填充材料的导热性能比高分子基体要好很多。当填充物质的填充量比较少时，填充材料之间空隙较大，没有很好的接触，这时高分子复合材料的导热性能基本没有提高。当填充材料达到一定的比例时，填充材料之间会形成某种网状或者链状的导热链，在导热链的取向与热流方向达到一致时，高分子复合材料具有很好的导热性能。但是在热流方向上没有形成导热链时，高分子复合材料的导热性能也会很差。所以，如何使得使热流的方向与导热链的方向达成一致才是对导热高分子材料的研究关键所在。

（2）导热理论模型。目前，导热理论模型大多数是针对低填充或者中等填充的理论模型，关于高填充或超高填充的研究较少，而Agari Y对高填充和超高填充的理论模型进行了研究，并得到了有效的成果。在这个理论模型中，可以认定在填充后的高分子复合材料中，如果所有填充粒子聚集而成的传导块与复合物的传导块在热流方向上是平行的，此时高分子复合材料的导热率最高。当传导块方向和热流方向相互垂直时，高分子复合材料可以达到最低的导热率。这个理论模型不仅全面考虑的粒子对高分子复合材料的导热性能的影响，而且还假定了粒子是处于均匀分散的状态的，通过实验，理论曲线和实验数据基本相符，能够验证该理论模型的正确性。

3 提高导热高分子材料性能的途径

（1）选择合适的基体材料。对于高分子复合材料的导热性能，基体材料的选择会产生很大的影响，所以选择合适的基体材料对于提高高分子复合材料的导热性能具有非常重要的意义。高分子材料基体本身是拥有良好的导热性能、较好的力学性能以及易于加工等特性的，这是非常适合与大量填充的。能够满足上述要求的高分子基体材料中，导热塑料基体有HDPE、LDPE、PP等；硅橡胶、丁晴橡胶等是导热橡胶基体的主要成分，当然天然橡胶和丁苯橡胶也可以作为基体材料；通常环氧类和硅胶类胶粘剂可以作为导热胶粘剂的基体材料。

（2）填充材料表面预处理。填充材料的超细微化能够大大提高自身的导热性能，不同的偶联剂、表面处理剂是可以使得高分子材料基体与填充材料的相容性得到一定的提高的，这样还可以提高高分子复合材料的导热性，同时保证基体材料的力学性能不受影响。例如，将铝粉先用甲醇溶液进行处理，然后再填充到环氧树脂基体中去，可以提高铝粉与环氧树脂基体之间的相容性。使用偶联剂对AL2O3粒子进行表面处理后，填充到环氧胶粘剂中，填充后的环氧胶粘剂的导热率能够提高10%左右。

（3）工艺条件的选择与优化。导热填充材料、高分子基体二者之间的结合方式以及在填充时各种助剂的添加顺序都会影响高分子复合材料的导热性能。当具有不同粒径的导热填充材料发生混合填充时，会使填充材料达到最大程度的堆积，这对基体材料导热性的提高具有很大作用。填充材料的搭配也可以在一定程度上影响基体材料的导热性能以及黏度，当填充材料以合适的粒径进行分布时，基体材料的导热性能会有所、提高，同时还会降低基体材料的黏度。另外，在填充的成型过程中，温度、压力和时间对于高分子复合材料的导热性能也会产生影响，例如高温硫化导热硅橡胶的导热率高于在常温下硫化导热硅橡胶的导热率。所以，在填充时一定要注意对工艺条件进行选择和优化，使得导热高分子材料的导热性能最优。