导热高分子材料研究进展

导热高分子复合材料的研究进展

摘要：主要介绍导热高分子复合材料的导热机理、开发及应用近况，结构型和填充型两类导热高分子复合材料的研究进展，并对进一步开发导热高分子复合材料提出展望和建议。

关键词：导热高分子 导热机理 本征型 填充型 复合材料

导热材料在各行业领域被广泛应用，可以说是最为常见的功能性材料之一。长期以来,使用最多的导热材料为金属材料,但是随着科技日益发展需要,人们对导热材料提出了新的要求,希望材料具有优良的综合性能,如耐化学腐蚀、耐高温、优异的电绝缘性。传统的导热材料多为金属、金属氧化物以及非金 属材料，其自身耐化学腐蚀性和电绝缘性差、加工成型成本高、力学性能不能满足实际需要等使其应用受到了限制。20世纪90年代发展起来的高分子材料，因其可被赋予优良的电绝缘性及良好的力学性能、耐化学腐蚀性和可靠的加工性能等，人们希望以高分子材料为基材制备新型导热材料。

而又由于大多数聚合物导热性能普遍较差，为了提高聚合物的热传导性能，可以制备具有结 晶和高取向结构的聚合物材料，即合成本征型导热高分子材料；也可以向聚合物基体中添加导热填料来制备导热复合材料，即合成填充型导热高分子材料。制备结构型导热高分子材料加工工艺复杂，成本较高，且仅适用于少数聚合物，通常比较困难，但优点是可同时具备高导热性和其他优良性能；采用填充导热填料来制备导热高分子材料，制备工艺简单，投资成本低，缺点是要以牺牲力学及其它性能为代价，是目前制备导热高分子复合材料的主要方法。

1、 导热机理

根据热动力学说，热是一种联系到分子、原子、电子等以 及它们的组成部分的移动、转动和振动的能量。因此，物质的 导热本身或机理就必然与组成物质的微观粒子的运动密切关 联。不同状态的物质，其导热机理和导热能力都是不同的，然 而所有的物质在所有的状态下，都是由物质内部微观粒子相互 碰撞和传递的结果。大多数聚合物是饱和体系，无自由电子存在，分子运动困 难，热传导主要是晶格振动的结果，声子是主要热能载荷者。。高分子自 身的导热能力主要取决于结晶度、 取向度、 交联度、 极性基团的数量和极性基团偶极化的程度, 另外也取 决于分子内部的紧密结合程度。结晶高聚物的导热性与其结晶度有关，增加聚合物的结晶度可提高其热导率。 但由于聚合物链的无规缠结，使结晶度较低，有很大的非晶部 分，因此，聚合物材料的导热性能更多地取决于含极性基团的 多少和极性基团偶极化的程度。填充型导热高分子材料的热导率则主要取决于填料自身的导热能力、 填料的形状、 填充量、 填料在基体中的分散程度和与基体界面的相互作用。

2、 导热填料填充复合材料研究现状

导热填料主要分为两种:导热绝缘填料和导热非绝缘填料,前者主要用于电子元器件封装材料等对电绝缘性能有较高要求的场合, 后者则主要用于化工设备的换热器等对电绝缘性能要求较低的场合。填料的类型、粒径大小及分布、填充量和填料与基体间的界面性能对复合材料的热导率都有影响。

2.1导热绝缘填料

导热绝缘填料主要有金属氧化物填料和金属氮化物填料。常见的金属氧化物填料如 Al 2O 3、 Zn O等, 与其他填料相比, 热导率不高, 但其价格较低, 来源广泛, 且具有优良 的电

绝缘性能, 因而常用作绝缘导热聚合物的填料。。当材料对电绝缘性能和导热性 能要求较高时, 就需采用纯度较高、结构致密、晶格缺陷少、同时价格也较昂贵的高导热金属氮化物填料 作为导热填料填充。

2.2 导热非绝缘填料

导热非绝缘填料主要有金属填料和碳基填料两 种。常用的金属填料有银、 铜、 铝、 铁等。从性能、价格考虑, 铝是首选金属填料, 因为它导热系数相对较高, 密度小, 填充率高。碳基填料主要包括石墨、 碳纤维、 碳纳米管等, 是一类重要的导热非绝缘填料。碳基填料还往往具有其他的一些独特的优点。如石墨具有典型的片层结 构, 在提高材料导热性能的基础上, 可以起到减摩润 滑作用。碳纤维的轴向强度和模量很高, 无蠕变, 耐疲劳性好, 热导率高, 热膨胀系数小, 耐腐蚀性好, 在改善材料导热性能的同时, 可以改善材料的力学性 能、 耐磨性能。

3、几种常用的导热高分子复合材料研究进展

3.1环氧树脂（EP）导热复合材料

EP 具有优异的粘接性、电绝缘性、力学性能、化学稳定性 , 成型加工容易，应力传递性较好和成本低廉，已在包括电子电气和航空航天等许多领域得到广泛应用。。目前通过结构改性制备导热 EP 难度较大， 通常采用的方法是在 EP 中填充高导热性填料，借助其原子 晶体和致密结构，以声子为载流子，提高 EP 的导热性能。主要有如下几种类型：金属氧化物填充型、金属粉末填充型、碳化物填充型、氮化物填充型、无机碳材料填充型和多元导热填料改性EP 导热复合材料。

3.2硅橡胶复合导热材料

由于目前对导热硅橡胶的研究多集中在填充型硅橡胶 方面，因而硅橡胶材料导热性能的优劣主要取决于硅橡胶基 体、加工工艺与填料3个因素。目前，提高硅橡胶导热性能的研究主 要集中在填料的表面处理和改性及填料粒径分布等方面， 从 而导致了目前开发的导热硅橡胶材料普遍具有热导率低的 缺点。因此使用新型导热填料、新型填料复合技术及探索结 构型导热硅橡胶复合材料，大幅度提高材料的导热性、抗热 疲劳性及使用稳定性是今后导热硅橡胶研究和开发的主要 趋势。

3.3聚乙烯（PE）复合导热材料 PE 综合性能好、价格低廉，是我国合成树脂中产能 大、进口量多和应用广的塑料品种。近年来，一些对 材料导热性有较高要求的领域也提出了用 PE 作导热基材。 线性低密度聚乙烯具有较好的导热性能，具有优良的耐环境应力开裂能力、 韧 性、较高的冲击强度、撕裂强度、拉伸强度，很好的刚性、抗蠕变能力和脱模容易、优良的成膜性及较好的热封性能，正在逐渐取代传统的 PE 品种。

4、导热高分子复合材料应用与发展前景

导热高分子复合材料从基础理论到产品开发等各方面 都是高分子材料研究的重要内容之一。，到目前为止的研究还有很多问题有待解决，主要表现在：结构型导热材料范围太过狭窄，应用不够广泛；填充型导热塑料大部分采用物理填充，导热性能不高，机械性能下降严 重，导热系数预测理论局限于经验模拟，缺乏导热机理的理论支持等。对于结构型材料，可考虑完善结晶度和提高在 热流方向上的取向度来提高材料的热导率。对于填充型材料，首先对填料进行表面处理以提高其与基体的相容性，使其在基体中能均匀分散； 其次考虑多种填料混合填充的方式来提高材料热导 率，并寻找出最合适的填料比例；最后采用一定的成 型加工工艺，使得能够在较少填料量下，在提高材料热导率同时保证其他性能的稳定，使高分子材料能更有效地替代传统导热材料，推动其他电子、科技行业的迅速发展。

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