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                        影響導熱填料性能的因素分析

                        發布時間:2015-10-03責任編輯:一諾材料點擊次數:3913

                        1.  填料的比例

                        當導熱填料的填充量很小時,導熱填料之間不能形成真正的接觸和相互作用,這對高分子材料導熱性能的提高幾乎沒有意義。只有在高分子基體中,導熱填料的填充量達到某一臨界值時,導熱填料之間才有真正意義上的相互作用,體系中才能形成類似網狀或鏈狀的形態——即導熱網鏈。

                        汪雨荻等在聚乙烯(PE)中填充氮化鋁,并考察其導熱性能;在電鏡下觀察到AlNPE結合處存在間隙,這表明AlN不浸潤PE。AlN/ PE復合材料在AlN體積分數小于12%時,其熱導率基本保持不變;當AlN體積分數在12%24%時,熱導率增長較快;當體積分數大于24%后,熱導率增長又變慢;當AlN體積分數達到30.2%時,復合材料的熱導率趨于平衡,能達到2.44 W/ m·K)。

                        Giuseppe P等利用新型滲透工藝制備了AlN/PS互穿網絡聚合物。將液泡狀態PS單體及引發劑持續滲透到多孔性AlN中至平衡態,在氬氣氣氛中100、4h使PS完成聚合。從微觀上在AlN骨架上形成了一個滲濾平衡的聚合物網絡結構,即使PS體積分數低至12%也可形成網絡結構。材料熱導率隨AlN用量增加而升高,在高用量時趨于平衡。PS體積分數為20%30%時,材料同時獲得高熱導率和良好韌性。

                        2.  填料的尺寸

                        填料填充復合材料的熱導率隨粒徑增大而增加,在填充量相同時,大粒徑填料填充所得到的復合材料熱導率均比小粒徑填料填充的要高。Hasselman研究了不同粒徑SiC填充的鋁基復合材料的導熱率,實驗得到在20填充量為20%時熱導率隨著SiC粒徑的增大也變大。

                        但是,導熱填料經過超細微化處理可以有效提高其自身的導熱性能。唐明明等研究了在丁苯橡膠中分別加入納米氧化鋁和微米氧化鋁得到的聚合物材料的導熱性,發現在相同填充量下,納米氧化鋁填充丁苯橡膠的熱導率和物理力學性能均優于微米氧化鋁填充的丁苯橡膠,且丁苯橡膠的熱導率隨著氧化鋁填充量的增加而增大。

                        3.  填料的形狀

                        分散于樹脂基體中的填料可以是粒狀、片狀、球形、纖維等形狀,填料的外形直接影響其在高分子材料中的分散及熱導率。汪雨荻利用模壓法制備了聚乙烯/AlN復合基板,研究了AlN的結晶形態和填加量對復合基板熱導率的影響。結果表明復合基板的熱導率隨AlN添加量的增大,最初變化很小,而后迅速升高,隨后增速又逐漸降低;在相同的AlN填加量情況下,熱導率最低的是AlN粉體復合材料,其次是含AlN纖維復合材料,最高的則是以晶須形態填加的復合材料。

                        4.  基體與填料的界面

                        導熱高分子復合材料是由導熱填料和聚合物基體復合而成的多相體系,在熱量傳遞(即晶格振動傳遞)過程中,必然要經過許多基體-填料界面,因此界面間的結合強度也直接影響整個復合材料體系的熱導率?;w和填料界面的結合強度與填料的表面處理有很大關系,取決于顆粒表面易濕潤的程度。這是因為填料表面潤濕程度影響填料與基體的黏結程度、基體與填料界面的熱障、填料的均勻分散、填料的加入量等一些直接影響體系熱導率的因素。增加界面結合強度能提高復合材料的熱導率。張曉輝等研究發現Al2O3粒子經偶聯劑表面處理后填充環氧,與未經表面處理直接填充所得的環氧膠黏劑相比,其熱導率提高了10%,獲得的最大熱導率為1.236W/m·K)。

                        牟秋紅等以Al2O3為導熱填料,制備了熱硫化導熱硅橡膠,考察了5種表面處理劑對Al2O3填充硅橡膠性能的影響。結果發現,5種處理劑處理均能提高硅橡膠的熱導率,其中以乙烯基三(β-甲氧基乙氧基)硅烷效果最為明顯。表面處理劑的加入既可以改善填料的分散能力,又可以減少硅橡膠受外力作用時填料粒子與基體間產生的空隙,減少應力集中導致的基體破壞。表面處理劑對硅橡膠熱導率的影響應該是橋聯包覆共同作用的結果。一方面,其橋聯作用改善了填料與基體的界面相容性,減少了界面缺陷及可能存在的空隙,從而降低了體系的熱阻;另一方面,若包裹在填料表層的偶聯劑的熱導率較低,又會增加熱阻。表面處理劑是否能夠提高復合材料的熱導率,關鍵在于處理是否能夠在界面處形成有效的鍵合。

                        中國科學院化學研究所的汪倩等人在提高室溫硫化硅橡膠導熱性能方面做了一系列研究工作,發現選擇高導熱系數的填料,更重要的是通過填料在硅橡膠中堆積致密模型的設計和計算及選擇合理的填料品種、填料粒徑及粒徑的分布,可以使室溫硫化硅橡膠的導熱系數高到1.32.5W/ m·K),達到國際先進水平。

                        Xu Y S等研究了AlN粉末及晶須填充的環氧、聚偏氟乙烯(PVDF)復合塑料導熱性能,發現加7μm粒子和晶須以251質量比混合,總體積為60%時,PVDF熱導率達11.5 W/ m·K)。用硅烷偶聯劑處理粒子表面,因粒子/環氧界面改善減少了熱阻,則環氧熱導率可以達到11.5W/ m·K),提高了97%;但是,AlN加入降低了材料拉伸強度、模量及韌性,在水中浸泡后發生降解。

                        Yu S Z等研究了AlN/聚苯乙烯(PS)體系導熱性能,將AlN分散到PS中,環繞、包圍PS粒子,發現PS粒子大小影響材料熱導率,2mmPS粒子比0·15mm粒子體系熱導率高,因粒子尺寸愈小,等量PS需更多AlN粒子對其形成包裹,從而形成導熱通道。AlN加入顯著提高PS熱導率,含20%AlNPS粒子為2mm時,體系的熱導率為純PS5倍。


                                提高導熱填料性能的途徑

                        1)開發新型導熱材料

                        如利用納米顆粒填充,導熱系數可增加不少,尤其是某些共價鍵型材料變為金屬鍵型材料,導熱性能急劇升高。

                        2)填料粒子表面改性處理

                        樹脂和導熱填料界面對塑料導熱性能有重要影響,所以導熱填料表面的潤濕程度影響著導熱填料在基體中的分散情況,基體與填料粒子的粘結程度及二者界面的熱障。

                        3)成型工藝條件選擇及優化

                        導熱填料與塑料的復合方式及成型過程中溫度、壓力、填料及各種助劑的加料順序等對導熱性能有明顯影響。多種粒徑導熱填料混合填充時,填料的搭配對提高導熱性能和降低粘度有明顯影響,導熱填料不同粒徑分布變化時,體系導熱性能和粘度發生規律性變化,當粒徑分布適當時可同時得到最高導熱系數和最低粘度的混合體系。

                         

                        (責任編輯:一諾材料)

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