• 不同形態導熱填料的應用研究綜述

    2020-12-24  來自: 青州市正大化工有限公司 瀏覽次數:309

      前言

      隨著科技的進步,大功率電氣、電子產品的飛速發展,高科技產品運行過程中必然會產生更多的熱量,如果熱量得不到及時的消散,會降低產品的功效,縮短產品的使用期限,甚至有可能造成生產事故。目前,生產導熱絕緣高分子材料簡單有效的辦法是在絕緣高分子材料中添加導熱填料,此方法能有效提高導熱絕緣材料的熱導率,且工藝簡單易行,有利于工業化生產,是國內外制備導熱絕緣高分子材料的主要方法。

      導熱機理

      導熱填料從形態上主要分為不規則顆粒、類球形、球形、片狀、纖維狀等,其形態對導熱性能影響重大,規則形態利于填充時的空間堆積,可以提高導熱性能。

      根據物質導熱時載體的不同,導熱類型主要可分為聲子導熱、電子導熱和光子導熱,其中聲子導熱主要通過晶體振動來實現,對于沒有自由電子的聚合物而言,聲子導熱是其主要導熱方式,但是由于很多聚合物鏈的無規則纏繞致使其結晶度較低,基本靠基團和鏈節的振動,又因為分子鏈振動時對聲子的散射作用使聚合物熱導率較低,因此需要熱導率較高的導熱填料進行填充。

      填料在基體中能否相互搭接形成有效導熱通路是復合材料導熱性能優良與否的關鍵,球粒狀填料的搭接主要靠提高填料比例,使其互相接觸;而片狀填料由于擁有較高的徑厚比,有效搭接面積較大,有利于熱量的傳導;纖維狀填料由于具有很高的長徑比,使其更容易搭接從而實現導熱作用,此外,由于其特殊的結構,在提高力學性能方面也有其優勢。

      不同形態的導熱填料應用研究

      填料的形狀對其在基體中的分布狀況、所得復合材料的熱學性能、力學性能等都具有影響。分散在高分子基體中的導熱填料有粒狀、片狀、纖維狀等形態。

      1 粒狀填料

      粒狀填料具有很高的理論堆積密度,可以增加填料之間的接觸點,使制備的復合材料擁有良好導熱性能。涂春潮等以粒狀氮化硼為填料制備了導熱絕緣硅橡膠。研究了氮化硼的用量、粒徑等對甲基乙烯基硅橡膠的導熱性能的影響。發現當氮化硼的總用量為150份時,復合材料的熱導率可達2.5W/(m·K),拉伸強度為1.19MPa,具有較好的綜合性能。

      氮化鋁是原子晶體,具有低膨脹系數,高硬度和高熱導率。蔚永強等應用雙粒度氮化鋁混合填充環氧樹脂,研究了氮化鋁顆粒的添加量、級配填充對復合材料導熱性能的影響規律,研究發現粒徑20μm與3μm質量比為4/6,填充量為60%,熱導率達1.373W/(m·K),比其他同類型產品熱導率提高了30%。

      氮化硅電絕緣性優良,熱導率高達180W/(m·K),強度較高。He等用熱壓成型法制備了環氧樹脂粉末和氮化硅的導熱復合材料,在填料質量分數僅為30%時,環氧樹脂粒徑為2mm時,材料熱導率即可達1.8W/(m·K),導熱粒子環繞在環氧樹脂粉末周圍,降低了界面熱阻。此外,材料具有較低的介電常數和損耗。

      2 片狀填料

      片狀填料一般具有較高的比表面積,分布在聚合物基體中更容易形成聲子導熱通道,有利于導熱性能的提高。Hatsuo研究了氮化硼/聚苯并噁嗪復合材料,當填料填充量(體積分數)達到78.5%時,復合材料的熱導率達到了32.5W/(m·K)。填料之所以能夠實現高填充,重要的一個原因就是選用的填料為鱗片狀的氮化硼,本身的熱導率較高且具有良好的潤濕性,容易進行大量填充。

      于偉等采用了機械共混方法制備了均一的含石墨烯納米片尼龍6復合材料,并對其熱物性參數進行了測量。研究表明,石墨烯納米片可大幅度提髙復合材料的熱導率。在石墨烯納米片體積分數僅為1%時,熱導率提高42.6%,體積分數達到20%時,復合體系熱導率達到4.11W/(m·K),提高了15倍以上。

      片狀氧化鋁是一種新型特種氧化鋁,具有六角形片狀的結構特征,擁有較大的徑厚比。這些特征使其保持氧化鋁的優良性能的基礎上,還獲得了表面活性、優良的附著性及***的屏蔽效應等性能。馮亁軍等研究了Al2O3形態對環氧樹脂基復合材料導熱性能的影響,不同形態的Al2O3的導熱行為有很大的不同,在填充量僅為15%時,片狀Al2O3復合材料的熱導率高達0.962W/(m·K),比較顆粒狀Al2O3填料提高了127%。在片狀Al2O3填充量為30%時,復合材料熱導率可達1.52W/(m·K)。

      3 纖維狀填料

      纖維狀填料主要有碳納米管、碳纖維、碳化硅晶須、玻璃纖維等。填料的長徑比越高、填充量越大,則填料之間越容易相互接觸而在基體中形成連續的導熱通路,從而提高復合材料的熱導率,此外纖維狀填料由于其結構上的特別性,還可有效降低由于填料增多而導致的力學性能急劇下降。

      碳納米管是由石墨原子單層繞成的管狀物,分為單壁碳納米管和多壁碳納米管,由于擁有較高軸向熱導率,在復合材料中少量添加就可明顯改善熱導率。提高碳納米管/導熱硅脂的熱導率,對碳納米管進行了酸化和酯化處理,研究顯示:酯化處理對碳納米管在導熱硅脂中的分散有促進作用從而促進導熱通路的構成,同時也可降低二者界面之間的接觸熱阻,從而提高導熱硅脂的熱導率。當碳納米管填充質量分數為2%時,熱導率高。

      碳纖維是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成,經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料,普遍具有質輕、高模量、耐腐蝕和良好的導電導熱等特點。通過澆注工藝制備了短切碳纖維/AlN/環氧樹脂導熱復合材料,并研究了導熱復合材料的熱、電和力學等性能。當不添加碳纖維時,材料熱導率為1.14 W/(m·K),當加入的碳纖維體積僅為1.8%時,熱導率提高到1.45W/(m·K)。此外,碳纖維的加入分別提高了彎曲強度和模量,而電阻率下降了3個數量級,但體積電阻率和表面電阻率仍能達到1012Ω·m和1010Ω,仍能滿足絕緣條件下使用。

      碳化硅晶須是一種晶格缺陷少并有長徑比的單晶纖維,具有相當好的導熱性能、優良的力學性能和抗高溫性能。以聚丙烯為基體,碳化硅顆粒和碳化硅晶須為導熱填料,利用共混/模壓分別制備了兩種填料單一填充和復合填充的導熱復合材料,在相同填充量時,晶須填充總是比顆粒填充的復合材料熱導率高,在填充質量分數為40%時,前者比后者熱導率高20%以上且具有更優良的力學性能。

      結語

      不同形狀導熱填料對導熱復合材料有重大的影響,其中片狀和纖維狀填料由于擁有較高的徑厚比和長徑比,相比粒狀填料擁有較優良的導熱性能和力學性能,而與其他填料復配使用更能改善熱導率及力學性能。

      但是尚存在許多需要改善和研究的問題:(1)隨著填料的增加復合材料力學性能普遍先升高后下降,在高填充量時,復合材料的力學性能較低,對材料的穩定性和使用期限有嚴重制約;(2)如何在降低填充量情況下保障高熱導率;(3)不同形狀填料之間復配對提高導熱性能的影響;(4)表面處理和改性對界面熱阻的影響。

      另外,針對上述粒狀、片狀和纖維狀的填料填充,人們分別提出了Maxwell-Eucken模型、Hatta模型、Springer-Tasi模型等進行熱導率的預測模擬,但均與實際結果有較大差異,現有的導熱理論模型還有待于完善提高。

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