第2章　導(dǎo)熱塑料的配方與應(yīng)用

2.1　概述

導(dǎo)熱塑料主要是指基材為通用塑料或工程塑料，氧化物、氮化物或碳為填料的復(fù)合材料。根據(jù)填料種類的不同，可以將導(dǎo)熱塑料分為絕緣與非絕緣導(dǎo)熱塑料兩種。通常，塑料的熱導(dǎo)率為0.2W/（m·K）左右，而導(dǎo)熱塑料的熱導(dǎo)率為1～20W/（m·K）。材料的傳熱速度與熱導(dǎo)率有關(guān)，而材料的散熱速度與散熱器的形狀、面積、對(duì)流及熱輻射能力有關(guān)。導(dǎo)熱塑料的熱導(dǎo)率相比金屬較低，但其熱輻射能力較強(qiáng)。因此，導(dǎo)熱塑料與金屬材料的散熱能力基本相同。表2-1是幾種不同材料的熱輻射系數(shù)。

以往的導(dǎo)熱散熱材料都集中在金屬材料的運(yùn)用上，但金屬材料在耐腐蝕性能和加工成型性能上都不及高分子材料有優(yōu)勢(shì)，而且許多需要導(dǎo)熱材料的領(lǐng)域里對(duì)材料制品的生產(chǎn)周期和效率、使用壽命、精密加工、設(shè)計(jì)自由度都提出很高要求。在電子器件追求小型化、高頻化、輕量化的今天，高分子導(dǎo)熱聚合物借此成為導(dǎo)熱材料領(lǐng)域的新秀，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸擴(kuò)展，如換熱工程、電子電氣、摩擦材料、電磁屏蔽、汽車制造業(yè)等。

由于結(jié)構(gòu)和散熱機(jī)理的原因，高分子材料本身的熱導(dǎo)率很低，散熱效果差，表2-2為幾種不同高分子材料在室溫下（25℃）的熱導(dǎo)率。所以要想使高分子材料在散熱領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用，必須通過(guò)高分子改性、成型加工的方法賦予高分子材料良好的導(dǎo)熱性能。

制備導(dǎo)熱高分子材料的工藝主要有兩種：本征型導(dǎo)熱材料和填充型導(dǎo)熱復(fù)合材料。第一種是本征型導(dǎo)熱材料，是指通過(guò)機(jī)械加工的方法使材料的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而得到相應(yīng)材料。其結(jié)晶度完整，主要通過(guò)聲子或電子導(dǎo)熱。例如，采用濕法紡絲的工藝制備出納米級(jí)別的PE纖維束，成型過(guò)程中在剪切、結(jié)晶、納米尺寸的微擾和限制等因素的綜合影響下，聚乙烯的分子鏈取得了高度取向，正是這種高度取向帶來(lái)的結(jié)構(gòu)上的變化使得聚乙烯納米纖維具有很高的導(dǎo)熱性能，熱導(dǎo)率在室溫下達(dá)到 20～25.6W/（m·K），并且發(fā)現(xiàn)其熱導(dǎo)率隨溫度發(fā)生緩慢變化，聚乙烯納米纖維的微觀橫截面如圖2-1 所示。大部分本征導(dǎo)熱高分子材料的研究還處于實(shí)驗(yàn)室階段，通過(guò)改變聚合物材料內(nèi)部本身的結(jié)構(gòu)，如采用定向拉伸的方法，使分子鏈的取向排列，聚合物高度取向化的過(guò)程工藝一般來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜和煩瑣，不利于工業(yè)化的生產(chǎn)，限制了本征導(dǎo)熱高分子的應(yīng)用。但本征高分子材料的研究有利于深入了解高分子材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和導(dǎo)熱機(jī)理，因此仍然具有廣闊的研究?jī)r(jià)值和發(fā)展前景。

第二種是填充型導(dǎo)熱復(fù)合材料，即以高分子樹脂為基體，將導(dǎo)熱填料加入到基體樹脂中制得的復(fù)合材料。本征型導(dǎo)熱復(fù)合材料由于具有高的結(jié)晶取向度，使得材料的加工難度較大。而填充型導(dǎo)熱復(fù)合材料的加工工藝簡(jiǎn)單并且成本低，應(yīng)用范圍較廣。根據(jù)使用填料的不同，填充型導(dǎo)熱塑料主要分為三類：金屬材料填充型導(dǎo)熱塑料、無(wú)機(jī)材料填充型導(dǎo)熱塑料以及導(dǎo)電有機(jī)物填充型導(dǎo)熱塑料。填充型導(dǎo)熱塑料的影響因素主要有樹脂基體、導(dǎo)熱填料和兩者之間的界面。因此，為了提高材料的熱導(dǎo)率，應(yīng)從幾個(gè)方面改善填充型導(dǎo)熱塑料的熱導(dǎo)率。

第一，高分子材料的導(dǎo)熱性能較差，而某些無(wú)機(jī)填料具有良好的導(dǎo)熱性能，通過(guò)向高分子材料中添加導(dǎo)熱無(wú)機(jī)填料如BN、Al2O3、MgO等導(dǎo)熱填料，來(lái)改善導(dǎo)熱塑料的熱導(dǎo)率。相比碳材料和金屬材料最大的優(yōu)勢(shì)是它們的絕緣性能，而在電子設(shè)備和集成化中使用的導(dǎo)熱材料必須具有一定的絕緣性能。所以，目前無(wú)機(jī)導(dǎo)熱材料在信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中工業(yè)化應(yīng)用最廣。

第二，對(duì)于填充型導(dǎo)熱塑料，可以通過(guò)增加填料填充量、不同粒徑填料復(fù)配、添加纖維等方式，在其內(nèi)部形成更多的熱通道，從而改善導(dǎo)熱塑料的熱導(dǎo)率。

第三，盡量減少基體與填料之間的表面熱阻是提高填充型導(dǎo)熱塑料熱導(dǎo)率的另一有效途徑。主要通過(guò)以下幾種方式達(dá)到上述目的。①對(duì)于同一種類的填料粒子，應(yīng)盡量選擇粒徑較大的導(dǎo)熱填料，當(dāng)填料的填充量相同時(shí)，相比小粒徑填料，大粒徑的填料擁有相對(duì)少的數(shù)量，因而可盡量減少基體與填料粒子間的熱接觸點(diǎn)，減小材料的界面熱阻；②對(duì)于不同種類的基體材料，應(yīng)盡量選擇黏度較低的基體材料。制備過(guò)程中黏度低的樹脂可以使填料粒子間的樹脂減少，則樹脂基體產(chǎn)生的熱阻也會(huì)隨之減少，填料與基體之間的結(jié)合增強(qiáng)，減小界面熱阻；③填料粒子表面預(yù)處理。對(duì)導(dǎo)熱粒子表面進(jìn)行改性，從而提高其潤(rùn)濕性能，使其更加均勻地分布在樹脂中，減小其與樹脂界面間的熱阻。