浅谈导热高分子材料的研究与应用

浅谈导热高分子材料的研究与应用

蔡耀武,张玉玺

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摘要：随着工业生产与科学技术的发展，人们对导热材料的要求也随之增高。为了满足这种社会需求，对导热高分子材料的研究在不断深入，同时，导热高分子材料在各行业中得到了应用和发展。目前，应用和研究最为广泛的是添加型导热高分子材料，它具有制作工艺相对简单以及成本较低的特性，受到各个领域的关注。

关键词：导热高分子材料；研究；应用

引言

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的应用，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.导热高分子材料的分类

1.1导热塑料

导热塑料的高分子基体为树脂，以金属氧化物、金属氮化物、碳硼化合物作为填充物。通过实验发现，当选用氧化铝、硅酸铝等物质进行填充时，导热高分子材料的导热性能表现更优，且导热性能的高低与填充物的数量正相关。另外，将金属粉末、石墨、碳纤维等作为填充物，与聚乙烯、聚丙烯混合而成的导热高分子塑料，其导热性能也会得到明显的提升，主要是由于石墨、碳纤维等物质的结构更稳定。

1.2导热胶合剂

导热胶合剂按照绝缘性能可分为绝缘型和非绝缘型，主要应用在半导体、密封、热绝缘等领域。生产导热胶合剂的过程中，若对填充物进行固化处理，可显著提高导热高分子材料的导热能力，选用碳纤维作为填充物也能起到相同的效果。

1.3导热橡胶

导热橡胶可分为结构型和填充型，目前研究重点放在填充型橡胶上，如在丁苯橡胶内添加氧化铝，且研究发现，当填充水平相同时，橡胶导热性能与氧化铝的粒径相关。

2.导热高分子材料的理论研究

2.1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。

2.2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，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。

2.3影响因素

(1)温度因素

温度与导热高分子材料导热性之间的影响关系非常复杂，一般情况下，温度越高，材料导热系数越大，但不同材料之间的变化规律差异显著。例如，非晶聚合物的导热性与温度间的关系为曲线，温度升高，非晶聚合物的导热性能提升，但当温度超过一定数值后，导热性能随温度升高而降低。且在上升段，温度对材料导热性能的影响程度逐渐减弱，在温度处于较低范围时，温度上升并不会引起材料导热性能的变化。

(2)拉伸取向

导热高分子材料拉伸取向与其导热性能之间也存在显著的相关性，例如非晶聚合物中含有非晶玻璃聚合物及非晶弹性体，当以上物质受拉伸作用时，分子链的拉伸取向增加，且导热性能随拉伸增加而下降。拉伸取向对结晶聚合物导热性能的影响则更加复杂，通过长期、大量实验发现，结晶聚合物的导热性与结晶完整性相关。

3.导热高分子材料的应用分析

3.1不同高分子材料的应用

（1）石墨导热材料

换热器是化工、制药、食品、能源等工业部门广泛应用的通用设备。碳钢和不锈钢导热性很好，然而在特定的情况下，特别是有腐蚀性化学物质时，则不能适应要求。高分子材料虽然化学稳定性优异，但热导率较低。用石墨作为导热填料以改性酚醛树脂为粘结剂制成酚醛/石墨导热塑料，既保留了塑料优异的耐腐蚀性能，又有与金属相近的导热性能。

（2）导热绝缘胶黏剂

在当代电子技术革命的浪潮中，电子电气材料领域急需导热绝缘材料。如半导体管陶瓷基片与铜座的粘合、管心的保护、管壳的密封整流器、热敏电阻器的导热绝缘微包装中多层板的导热绝缘组装等需要不同工艺性能的导热绝缘胶。

（3）导热节能胶粘剂

目前节能胶黏剂主要是TM胶黏剂，该节能胶黏剂分为无机型和有机型两种。其中无机型胶黏剂以鳞片状石墨及硅酸盐作为导热材料，其优点是导热率高、传热效果优良，可适用的温度范围非常广。有机型胶黏剂的导热材料为高纯度结晶石墨，以高分子物质作为粘合剂，并添加适量其他试剂形成单组分导热材料。该类型胶黏剂具备化学性质稳定、强度大、耐水性优、存储便利、生产工艺简单等优势，适用的温度范围也比较广泛。

3.2提高导热高分子材料性能的途径

（1）优化基体材料的选择

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）强化填充料预处理

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。

（3）优化生产工艺条件

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。

结束语

在实际生产中，导热高分子材料多以树脂作为基体材料,以导热填料、阻燃剂等作为填充物,适当选取物质配比可有效提高材料的导热性能。目前有关导热高分子材料的研究已经积累大量经验,在生产时可通过优化基体材料选择、强化填充料预处理、提升生产工艺条件等方式,提高导热高分子材料导热性能，使其在电子等领域表现出更优的应用效果,逐步更新散热材料体系。

参考文献：

[1]李成东.浅谈导热高分子材料的研究与应用[J].科技风2020(05).

[2]谢婵，彭富忠.导热高分子材料的研究与应用分析[J].低碳世界.2019(12).