关于高分子材料导热性能的研究

张盼

（池州学院，安徽 池州 247000）

所谓高分子材料，就是以高分子化合物为基体的材料，而导热高分子材料，则是高分子聚合物中具有良好热传导性能的材料。伴随着材料科学的逐步发展，导热复合塑料、导热胶粘剂、导热弹性体等高分子材料因其良好的导热性、优异的电气绝缘性能和加工性能等，在国防军工领域、汽车电子行业、微电子技术的发展中发挥了积极的作用。

一、高分子材料导热原理

热传导的过程通常采用的是扩散形式，在固体内部的导热载体又可以分为电子、光子和声子三种。高分子材料一般为饱和体系，导热载体为声子，主要依赖晶格振动进行热传导。由于高分子聚合物的分子链是以无规则缠结的方式存在，其振动对声子具有散射作用，因而情况下高分子材料的热导率较低。

为提升导热高分子材料的热导率，通常有两种做法：其一，向聚合物基体中加入导热填料，制备合成填充型导热高分子材料；其二，制备具有结晶和高取向结构的聚合物材料，也就是合成结构型导热高分子材料。由于两种材料加工工艺的复杂程度，以及生产成本差异巨大，当前实际用于生产领域的主要为合成填充型导热高分子材料。

（一）导热网链机理

填料的导热性能，以及其在高分子材料基体中的分布决定了导热高分子材料的热导率大小。在向基体中添加的填料不多时，填料呈现分散相，此时对高分子材料的热导率影响不大；随着填料添加量的逐渐提高，在达到某一临界值后，填料在基体中形成导热网链，此后再增加填料的填充量，高分子聚合物的热导率将会迅速增加。其原理在于，在构成导热网链后，填料与高分子材料基体在热流方向上构成类似于电路中并联的关系，由导热网链在热传递中发挥主导作用。

（二）热弹性复合增强机理

在高分子材料基体中随着添加的填料增加，热导率呈现稳步增加趋势；在加入填料的总量相同时，热导率随着粒度的增大而增加，上述特点可以用热弹性复合增强机理加以解释。声子是固体物理学中抽象的固体点阵振动格波，可将热振动过程简化为声子传递过程，材料的热导率类似于弹性力学中的弹性模量，因而其变化是趋于平缓的，并且加入填料导致高分子聚合物的热导率提升，可以理解为高热导率物质对低热导率物质的复合增强。

二、典型导热高分子材料的性能及其应用

在工业生产实践中，主要将绝缘导热无机粒子如Si3N4、Al2O3、HBN等加入高分子聚合物中，制成合成填充型导热高分子材料。对于有低绝缘或非绝缘导电要求的场合，也可选用金属、石墨等作为填充料。相对于普通高分子材料，导热高分子材料的热导率可以达到前者的4～10倍。

（一）导热胶粘剂

导热胶粘剂主要在需要绝缘的环境中进行运用，应用于电气工业中。对微包装中的多层板进行导热绝缘组装、将半导体管陶瓷基片与散热器黏结起来等，都可以利用导热胶粘剂作为辅助。根据胶黏剂是否导电可以将其分为导热绝缘胶粘剂和导热非绝缘胶粘剂，前者主要用于对非绝缘导热导电场合的黏结或对替代传统焊接，而后者更多应用于电子电气领域中绝缘场合的导热封装。以氰酸酯为基体，加入质量分数65%的SiO2后，氰酸酯的导热率、介电常数和杨氏模量均呈现出增加趋势。在环氧作基体中混合了质量分数81%的金刚石粉后，得到导热系数为2.8W/(m·K)的导热非绝缘胶粘剂。为进一步提高导热胶粘剂的热导率，在制备过程中，可对导热填料表面进行预处理，增大其润湿程度，提升其界面性能。

（二）导热塑料

导热塑料的类别较多，根据填料的不同，可以分为金属填充型、无机非金属填充型以及氧化物填充型；根据基体的种类，可以分为热塑性导热树脂和热固性导热树脂；按照是否导电，可以分为导热导电塑料和导热绝缘塑料。导热塑料具有散热均匀、密度小、成型加工方便的特点，与其他导热高分子材料相比，由于其加工方式为模具注塑成型，因而导热系数呈现出各向异性。在垂直于胶料流动的方向上，导热系数较小，是胶料流动方向上导热系数的10%～20%。

（三）导热橡胶

以硅橡胶作为基体，Al2O3作为填充物，让填料在基体中均匀、网链状分布，即可制成导热橡胶。随着Al2O3加入量的逐步提升，聚合物材料的导热性能与阻燃性能均相应提升。在Al2O3加入量达到硅橡胶基体量的3倍时，该聚合物的导热系数可达2.72W/(m·K)。除Al2O3外，也可以在硅橡胶中加入金属粉末或氮化物如氮化硼等，同样可以显著提升硅橡胶的导热性能。

三、结语

当前，工业建设中常用的导热材料包括金属材料、导热无机材料等，高分子聚合物是近年来逐渐发展起来的导热材料类别，在微电子封装、LED照明等导热场合发挥着其他材料难以替代的价值。为进一步推动高分子材料的实际应用，针对高分子材料的导热机理、性能和应用加以深入研究至关重要，需有机化学、材料科学相关领域研究者引起足够的重视。