對(duì)導(dǎo)熱高分子材料的研究與應(yīng)用

黃鑫(中國海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程研究院， 山東 青島 266100)

對(duì)導(dǎo)熱高分子材料的研究與應(yīng)用

黃鑫(中國海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程研究院， 山東 青島 266100)

本文對(duì)導(dǎo)熱高分子材料進(jìn)行了研究，并且對(duì)其中的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析，最后針對(duì)導(dǎo)熱高分子材料的研究方向進(jìn)行了展望。

導(dǎo)熱高分子材料；導(dǎo)熱機(jī)理；研究；應(yīng)用；展望

對(duì)于一些高分子導(dǎo)熱材料來說，不僅僅要求其具有高性能的高熱能力，同時(shí)也要求其具有高強(qiáng)的耐腐蝕能力以及耐高溫能力。在目前電子技術(shù)發(fā)展迅速的時(shí)代，一些電子元件以及各種電路必須要具有高性能的導(dǎo)熱絕緣能力。

1 對(duì)導(dǎo)熱高分子材料的研究

對(duì)于各種材料來說，導(dǎo)熱的機(jī)理是不同的，對(duì)于晶體的導(dǎo)熱機(jī)理，其中是排列整齊的晶粒熱振動(dòng)，主要是利用聲子的概念進(jìn)行描述[1]。另外，是對(duì)于一些金屬晶體來說，其中一些自由電子的運(yùn)動(dòng)對(duì)導(dǎo)熱起著重要的作用，并且聲子所做出的貢獻(xiàn)在一定程度上是可以忽略的。非晶體的導(dǎo)熱主要是利用無規(guī)律的分子進(jìn)行排列的，這樣能夠圍繞在一定的位置上進(jìn)行熱震動(dòng)，將能量傳遞給分子以及原子。對(duì)于非晶體來說，可以將其看成是晶粒極細(xì)的晶體，因此在也可以利用聲子的概念對(duì)其進(jìn)行分析。對(duì)于一些具有透射性的晶體，在一定的溫度下，對(duì)導(dǎo)熱也有明顯的作用，對(duì)于導(dǎo)熱的載體主要是電子、聲子以及光子。金屬材料的導(dǎo)熱性能要高于非金屬材料，主要是由于在金屬的材料中，存在大量的自由電子。一般來說，對(duì)于高分子來說，其導(dǎo)熱的性能比較差，要想提升其導(dǎo)熱性能，必須要填充一些導(dǎo)熱性能強(qiáng)的填料。但是若是在高分子材料中填入填料，那么將會(huì)降低材料的強(qiáng)度。

首先是對(duì)金屬材料的導(dǎo)熱機(jī)理進(jìn)行分析，其中金屬的導(dǎo)熱率為：λ=λe+λp

在以上的公式中，其中λe代表著熱導(dǎo)率的自由電子的分量，而λp代表著聲子的分量，對(duì)于一些純金屬來說，其中的λe遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于λp，因此會(huì)得到λ≈λe，所以，其中金屬的導(dǎo)電性主要是取決于自由電子的運(yùn)動(dòng)，并且金屬原子之間有電子流在不斷的流動(dòng)，這種電子流能夠?qū)⑵渲械臒崃吭谝粋€(gè)金屬原子流向另外一個(gè)原子。

在一些室溫以及高于室溫的條件下，其中純金屬的熱導(dǎo)率以及電導(dǎo)率之間的關(guān)系符合相應(yīng)的Wiedman-Franz定律：

在上述公式中L為洛倫茲常數(shù)，而e則是代表著電導(dǎo)率，T是絕對(duì)溫度，溫度升高時(shí)會(huì)逐漸的導(dǎo)致電導(dǎo)率下降，因此其中λe不會(huì)改變，在相應(yīng)的低溫的條件下，其中金屬的熱導(dǎo)率是：

在以上公式中，其中TT2代表聲子對(duì)電子的散射引起的熱阻，而U/T則是代表著由雜志對(duì)電子散射引起的熱阻，但是若是在金屬含有其他的元素，那么將會(huì)影響導(dǎo)熱率[3]。

另外對(duì)于非金屬材料的導(dǎo)熱機(jī)理來說，導(dǎo)熱主要是利用聲子，其中非金屬主要是分為晶體非金屬以及非晶體非金屬兩種，其中晶體非金屬的導(dǎo)熱率僅次于金屬，也屬于一種性能比較好的導(dǎo)熱體。只有非常純的單晶體其熱導(dǎo)率比較好，這種晶體沒有雜質(zhì)以及錯(cuò)位等缺陷，僅僅是在聲子在相互之間散射而帶來的熱阻。在溫度逐漸的降低時(shí)，聲子之間的散射會(huì)逐漸的減弱，這樣其熱阻也會(huì)逐漸的降低，直到聲子的自由程被單晶體的界面限制時(shí)，那么熱阻才會(huì)逐漸的上升。

最后是對(duì)于絕緣高分子的材料的導(dǎo)熱機(jī)理的研究，但是絕緣高分子材料的聲子自由程度很差，因此其熱導(dǎo)率也比較低，其材料的導(dǎo)熱性能主要是取決于含極性基團(tuán)的數(shù)量以及極性基團(tuán)偶極化的程度。對(duì)于絕緣高分子來說，整個(gè)分子鏈不能夠完全自由運(yùn)動(dòng)，這樣僅僅會(huì)發(fā)生源自以及基團(tuán)后者鏈接的振動(dòng)。所以說，絕緣高分子材料的熱導(dǎo)率與溫度有很大的關(guān)系，在溫度逐漸的升高時(shí)，可以發(fā)生更大基團(tuán)或者鏈接的振動(dòng)，這樣材料的導(dǎo)熱性也會(huì)隨之增加。對(duì)于絕緣高分子材料，其熱導(dǎo)率也缺覺與分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊密程度，因此其結(jié)晶聚合物的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于非晶態(tài)聚合物。以此聚乙烯為例子，超拉伸的聚乙烯的熱導(dǎo)率可以達(dá)到未拉伸時(shí)的兩倍之多，主要是在超拉伸時(shí)候能夠形成相當(dāng)數(shù)量的伸展分子鏈構(gòu)成的針狀晶體，所以，超拉伸的聚乙烯能夠成為有效的熱導(dǎo)體。

2 對(duì)導(dǎo)熱高分子材料的應(yīng)用

日本的相關(guān)化學(xué)公司開發(fā)除了高純度的MgO，其中熱導(dǎo)率為λ≥50W/(m?K)，其中相當(dāng)于AL2O3的三倍還多。另外利用平均粒徑為5～30μm的金屬粉末填料，其中熱導(dǎo)率為λ≥3W/(m?K)。另外，日本相關(guān)機(jī)構(gòu)研制出了高導(dǎo)熱性陶瓷，傳統(tǒng)的氮化硅導(dǎo)熱性能很低，高導(dǎo)熱性的氮化硅主要是傳統(tǒng)氮化硅的基礎(chǔ)上加入一些晶體粒子，從而來使晶粒子形成100μm的纖維狀的氮化硅結(jié)構(gòu)，這種新型的材料屬于普通氮化硅的三倍，熱導(dǎo)率很高。

對(duì)于高分子材料來說，雖然熱導(dǎo)率比較低，但是用石墨作為導(dǎo)熱填料，從而來以高興酚醛樹脂為粘結(jié)劑制成石墨導(dǎo)熱塑料，這樣有效的保證了塑料的耐腐蝕性，也使其具有良好的導(dǎo)熱性能。另外，導(dǎo)熱絕緣膠粘劑也是一個(gè)很好的例子，相關(guān)學(xué)者利用L-1型填料填充的各種環(huán)氧改性，自制出固化劑固化的膠黏劑。這種膠具有很多種功能，導(dǎo)熱性比較好，能夠作為導(dǎo)熱脂，同時(shí)也能夠作成膠黏劑以及涂料等。

3 結(jié)語

對(duì)于導(dǎo)熱的高分子材料的出現(xiàn)，有效的擴(kuò)大了高分子材料的應(yīng)用范圍，同時(shí)也擴(kuò)寬了傳熱材料的研究領(lǐng)域。

[1]呂生華,梁國正.耐輻射高分子材料的研究和應(yīng)用進(jìn)展[J].工程塑料應(yīng)用，2011，(01).

[2]孟令輝,白永平,黃玉東.高分子材料專業(yè)教學(xué)應(yīng)加強(qiáng)環(huán)保意識(shí)的培養(yǎng)[J].化工高等教育，2012，(01).

[3]詹茂盛,何利軍.“高分子材料課程信息化師生互動(dòng)教學(xué)方法”研究與實(shí)踐[J].化工高等教育，2010，(03).

黃鑫(1995-)，男，吉林省四平人，高分子材料與工程12級(jí)。