導熱高分子材料的研究與應用分析

李 玥

（黑龍江省大慶職業學院 化學工程系,黑龍江 大慶 163000）

目前，導熱高分子材料的分類已基本完成，而且導熱塑料、導熱橡膠以及導熱膠粘劑的發展都比較迅速。導熱橡膠在電子電氣領域得到了很好地應用，并且可以為電子元件提供一個良好的散熱環境，并且可以在一定程度上達到絕緣和減震的效果。導熱塑料可以代替金屬材料應用在換熱和采暖的工程中，還可以用于制作高性能的導熱電路板。導熱膠粘劑一般應用于電子電氣領域的粘接以及封裝材料。

1 導熱高分子材料的主要類型

（1）導熱塑料。正是因為樹脂基體本身良好的絕緣性，才使得導熱塑料的絕緣性和填充物質的絕緣性之間有密切的關系，一般，人們都以金屬氧化物、金屬氮化物和B4C3等來作為絕緣導熱塑料的填充物質。有研究表明，將硅酸鋁纖維和氧化鋁纖維填充在聚乙烯和聚丙烯中，形成的復合材料的導熱率隨著填充纖維量的增加而增加，當纖維的質量所占比例達到35%時，復合材料的導熱性能最好。當填充的物質為金屬粉、石墨和碳纖維時，導熱塑料就變成了非絕緣的。在樹脂基體里，石墨以及碳纖維有著非常合理的分布，這可以使復合材料的導熱性以及力學特性得到很大的提高。

（2）導熱橡膠。一般有結構型和填充型兩種導熱橡膠，很多研究以及應用都是基于填充型導熱橡膠來進行的，而很少有人研究結構型的導熱橡膠。將氧化鋁作為填充物質，填充到丁苯橡膠中，可以制備出填充型導熱橡膠。基于已有的研究，可以了解到，在填充量相同的條件下，填充氧化鋁的微米或納米顆粒能夠使導熱橡膠具有更好的導熱性能。

（3）導熱膠粘劑。根據電絕緣性可以將導熱膠粘劑分為絕緣導熱膠粘劑以及非絕緣導熱膠粘劑兩種，對導熱粘膠劑的應用主要有半導體基片的粘接、管殼的密封和熱敏電阻器的導熱絕緣等。通過對導熱填充物質和固化過程的優化實驗分析，可以找到理想的導熱填充材料，研制出具有很好導熱性能和絕緣性能的粘接劑。將碳纖維填充到粘接劑中，發現沿粘接劑的厚度方向具有很好的導熱率，這種膠黏劑可以用來做散熱板以及半導體的封裝材料。

2 導熱高分子材料的理論研究

（1）導熱原理。填充的導熱物質以及高分子基體在某種程度上影響著導熱高分子材料的導熱性能，正是因為這種性質以及相互作用之間的關系決定了復合高分子材料的導熱性能。高分子基體中沒有均勻有序的晶體結構或者載荷子，不能夠達到熱傳遞的要求，所以高分子基體的導熱性能不是很好。而導熱的填充材料，不管是什么樣的形態，填充材料的導熱性能比高分子基體要好很多。當填充物質的填充量比較少時，填充材料之間空隙較大，沒有很好的接觸，這時高分子復合材料的導熱性能基本沒有提高。當填充材料達到一定的比例時，填充材料之間會形成某種網狀或者鏈狀的導熱鏈，在導熱鏈的取向與熱流方向達到一致時，高分子復合材料具有很好的導熱性能。但是在熱流方向上沒有形成導熱鏈時，高分子復合材料的導熱性能也會很差。所以，如何使得使熱流的方向與導熱鏈的方向達成一致才是對導熱高分子材料的研究關鍵所在。

（2）導熱理論模型。目前，導熱理論模型大多數是針對低填充或者中等填充的理論模型，關于高填充或超高填充的研究較少，而Agari Y對高填充和超高填充的理論模型進行了研究，并得到了有效的成果。在這個理論模型中，可以認定在填充后的高分子復合材料中，如果所有填充粒子聚集而成的傳導塊與復合物的傳導塊在熱流方向上是平行的，此時高分子復合材料的導熱率最高。當傳導塊方向和熱流方向相互垂直時，高分子復合材料可以達到最低的導熱率。這個理論模型不僅全面考慮的粒子對高分子復合材料的導熱性能的影響，而且還假定了粒子是處于均勻分散的狀態的，通過實驗，理論曲線和實驗數據基本相符，能夠驗證該理論模型的正確性。

3 提高導熱高分子材料性能的途徑

（1）選擇合適的基體材料。對于高分子復合材料的導熱性能，基體材料的選擇會產生很大的影響，所以選擇合適的基體材料對于提高高分子復合材料的導熱性能具有非常重要的意義。高分子材料基體本身是擁有良好的導熱性能、較好的力學性能以及易于加工等特性的，這是非常適合與大量填充的。能夠滿足上述要求的高分子基體材料中，導熱塑料基體有HDPE、LDPE、PP等；硅橡膠、丁晴橡膠等是導熱橡膠基體的主要成分，當然天然橡膠和丁苯橡膠也可以作為基體材料；通常環氧類和硅膠類膠粘劑可以作為導熱膠粘劑的基體材料。

（2）填充材料表面預處理。填充材料的超細微化能夠大大提高自身的導熱性能，不同的偶聯劑、表面處理劑是可以使得高分子材料基體與填充材料的相容性得到一定的提高的，這樣還可以提高高分子復合材料的導熱性，同時保證基體材料的力學性能不受影響。例如，將鋁粉先用甲醇溶液進行處理，然后再填充到環氧樹脂基體中去，可以提高鋁粉與環氧樹脂基體之間的相容性。使用偶聯劑對AL2O3粒子進行表面處理后，填充到環氧膠粘劑中，填充后的環氧膠粘劑的導熱率能夠提高10%左右。

（3）工藝條件的選擇與優化。導熱填充材料、高分子基體二者之間的結合方式以及在填充時各種助劑的添加順序都會影響高分子復合材料的導熱性能。當具有不同粒徑的導熱填充材料發生混合填充時，會使填充材料達到最大程度的堆積，這對基體材料導熱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響基體材料的導熱性能以及黏度，當填充材料以合適的粒徑進行分布時，基體材料的導熱性能會有所、提高，同時還會降低基體材料的黏度。另外，在填充的成型過程中，溫度、壓力和時間對于高分子復合材料的導熱性能也會產生影響，例如高溫硫化導熱硅橡膠的導熱率高于在常溫下硫化導熱硅橡膠的導熱率。所以，在填充時一定要注意對工藝條件進行選擇和優化，使得導熱高分子材料的導熱性能最優。

4 小結

導熱高分子材料的發現擴大了高分子材料的應用領域，為科技的進步提供了物質基礎。在制備導熱高分子材料時，要根據材料的使用要求和用途選擇合適的基體材料和填充材料，并對填充材料進行表面預處理，以改善填充材料與基體材料之間的相容性，同時注意工藝的選擇和優化，使導熱高分子材料的導熱性能達到最優狀態。

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