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聚合物爭热材料的研究进展
《上海塑料》2013年第2期(总第162期)
合物导热材料的研究进展
张学锋,何杰
(山东非金属材料研究所,山东济南250031)
摘要综述近年来有关导热高分子复合材料的研究。简单介绍导热高分子的导热机制,分析填料对复
合材料导热性能的影响,并对今后研究提出建议。
关键词导热系数;导热填料;高分子基体
中图分类号:TQ314.24
文献标志码;A
文章编号:1009-5993(2013)02-0012-05
Research Progress of Thermal Conductive Polymer
ZHANG Xue-feng, HE Jie
China North Industries Group Corporation Institute 33, Jinan 250031, China)
Abstract: Researches on thermal conductive polymer composites in recent years are reviewed. The ther
mal conducting mechanism is briefly introduced. Effects of fillers on the thermal conductivity of compos
ite materials are analysed, and some suggestions are advised
Key words: coefficient of thermal conductivity; thermal conductive filler; polymer
0前言
经济损失;在微电子信息行业,由于电子元件的高
集成化、高密度化、高功率化使得材料表面产生的
随着工业水平的不断提高,现代社会对材料性热量急剧增加,如不能及时将热量排除,则会影响
能提出新的要求。聚合物材料由于成型工艺简单、电子元件的寿命和系统的稳定性;在换热工程中
耐化学腐蚀、可回收利用等特点越来越受到人们的目前主要用金属作为换热媒介,使用聚合物材料能
关注。功能性材料将是今后聚合物材料发展的方有效减少工程建设成本。 Danes等们指出:在机械
向。就电子工业而言,导热材料与聚合物材料的交工程应用中,片材横向上的导热系数应达到1.3~
叉是目前研究的热点。传统意义上的导热材料包2.0W/(m?K),而在电子領域则需要达到2.0
括Al、Cu、Mg等金属,AlN、BN等氮化物,MgO、4.0W/(m?K)。目前市场上比较成熟的产品主
ZnO等金属氧化物和石墨、炭黑等其他导热材料。要是由帝斯曼公司提供的PA46系列,其导热系
但是每种材料都有其局限性,如金属材料作为导热数平均为2.1W/(m?K)。
材料在有腐蚀性的化工行业中并不适合。
导热高分子材料是一种新型功能高分子材料,1导热机制及改性原理
无论在化工、换热工程、微电子信息行业都有着广
导热高分子材料一般分为两类:本征型导热高
泛应用前景。在化工行业导热高分子材料作为金分子和填充型导热高分子。对于本征型导热高分
属的替代材料可以有效减少因设备腐蚀而造成的子材料,如聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯等,其高分子
链上存在的超共轭体系有利于材料内电子的运动,
从而在整个高分子链上形成导热通路。此外,树脂
收稿日期:2013-04-08
作者简介:张学锋(198-),男,在读硕士研究生,主要研究导热的结晶性能、极性基团的多少和偶极化程度也是影
高分子材料
响本征型导热材料导热性能的关键。但是开发本
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聚合物导热材料的研究进展
上海塑料》2013年第2期(总第162期)
征型导热材料需要投入大量的经费。目前采用高物填料的表面处理是提高基体树脂和填料之间的
导热填料改性是提高聚合物导热性能的主要途径。相容性的关键,也是影响材料导热性能的主要因
对于填充型导热高分子的导热机制,目前成熟素。林晓丹等11和贾奇博等]用MgO和Al-O
的理论分为导热网链机制和热弹性组合增强机制。粉体作为导热填料制备复合材料,提高聚合物材料
导热网链机制认为填料在聚合物基体中的分布的导热系数。张晓辉1?用偶联剂处理A2O3,并填
决定复合材料的导热性能;而热弹性组合增强机充环氧胶黏剂,发现材料比没有经过处理直接填充
制]则建立在声子传热的概念上,导热过程是声子A1O2的材料的导热效果提高10%。
传递的过程。对于填充型聚合物复合材料,若填
偶联剂用量并非越多越好。张陆旻研究
料导电则复合材料具有导电导热双重特性;若填料NDZ-132处理材料表面对导热系数的影响,发现
具有高的导热性和电绝缘性,则得到的复合材料的偶联剂的质量为填料质量的1.5%时最佳。Iee
导热系数依赖于聚合物基体的分子链振动、晶格声等研究偶联剂对处理ZnO/EVA体系的影响。
子与填料晶格声子相互作用,即依赖于电子传热和在适量的偶联剂作用下能提高材料的导热系数;但
聚合物与填料晶格振动共同相互作用来实现。目是当偶联剂的量超过限度后,却使材料的导热性能
前对于填充型材料的经典模型有 Maxwell-eucken下降,并且使用小分子偶联剂的影响更明显。
方程和Agai模型
2.3氮化物
2导热填料研究进展
常用的氮化物有AIN、BN、Si3N4等。由于氮
化物的导热系数高,基本上与金属粉末的相当,是
由于共混改性技术的发展,使填充型导热高分绝缘体系提高材料导热性能的最佳材料。Kim和
子有了长足的发展。而填料性状参数是影响聚合Bae等?用AIN填充线性酚醛环氧树脂,并用线
物导热系数2的关键因素。导热填料可以简单划性酚醛树脂为固化剂共混。当AIN的质量分数达
分为金属粉末、金属氧化物、金属氮化物和其他无70%时,所得材料的导热系数达14W/(m?K)。
机非金属填料等?
周文英2?用BN增强高密度聚乙烯,并研究内部填
2.1金属
料分散状态对导热系数的影响,发现聚乙烯粒子周
聚合物中添加金属粉末是提高材料导热性能围形成特殊的网状导热通路
ou
等和An
的有效方法。常用的金属填料有高导热性的Cu,等啊用SisN,填充 LLDPE。当填料尺す从35pm
Al,Ag等。有日本专利[11将环氧树脂、固化剂和下降到0.2pm时,导热系数由1.0W/(m?K)上
直径为40gm的铝粉以100:8:34的质量比混升到1.2W/(m?K);后者在Si3N,的质量分数为
合,制备得到导热系数为4.60W/(m?K),并且具25%时,LDPE的粒径为1.0mm的比粒径为
有优良的力学性能和尺寸稳定性的复合材料。金0.075mm的,导热系数高出0.38W/(m?K)。Li
属粉末还能作为成核剂存在于复合材料中。I-uyt等]在聚酰亚胺预聚体和PAA中分散不同粒径
等2研究发现Cu粉可以作为成核剂改善材料的的BN,然后在350C发生亚胺化反应生成PI/BN
结晶性能。
复合物。当BN的质量分数达到30%时,其复合物
由于高导热系数的金属粉末也具有导电性,在的导热系数达到1.2W/(m?K)。但是金属氮化
加入后也会在一定程度上提升复合材料的导电性物的价格较高,成本控制是关键。国内有专利采用
能。但是在电绝缘性要求苛刻的电子工业体系中金属氧化物和金属氮化物共同填充来进行成本的
并不适合,这也是金属系填充方法的最大缺陷。但控制。