高導熱聚合物基復合材料研究

余陽洋 汪迪良 顧鋒雷 劉金鳳 王雨朦 劉文峰

摘要：隨著我國電力企業的發展，以及電子技術的不斷進步，其中設備的發熱問題的也越來越迫切。而為了能夠有效緩解或解決這一問題，進行有效的散熱便成為了主要研究方向。而聚合物憑借著較低的成本以及優秀的性能而成為了學者們下主要研究的目標。

關鍵詞：高導熱;聚合物基;復合材料

引言：現階段，電子及電力設備的功率越來越大，而設備的尺寸卻不斷的在減小，在特高壓交流和直流系統中這種情況尤為明顯。而這一情況也導致了設備的散熱性能出現了嚴重的缺陷，對設備壽命產生了不利的影響。而隨著高導熱聚合物基復合材料的運用則能夠很好地提高材料導熱性，解決了設備散熱問題。新型材料的開發和制作技術的發展也都對復合材料的微觀設計開發商提供了參考價值。

一、聚合物材料的導熱性能

從宏觀的角度看，熱傳遞效果是通過微觀粒子的活動所產生，而材料的微觀結構不同，導熱性能也存在差異。分子與分子的相互作用也是熱量進行傳遞的主要途徑，熱量在固態材料中的傳遞則是依靠電子和光子等傳熱介質來做到的，固體物質的不同，其導熱介質也存在差異。其中，金屬的導熱介質通常為電子，并且是自由電子，他們不會受到約束，能夠做到相互之間自由碰撞，以此來做到對熱量的高效傳遞。在無機非金屬以及絕緣材料中，很少會有自由電子，而電子傳熱則不能解釋其中的熱傳遞效果，而其中的導熱效果其實是通過晶格振動來做到的。在量子理論中，將晶格振動進行量子化，運用聲子概念，以此來解釋這兩種材料內部的導熱過程，也就是聲子熱擴散活動。材料的散熱效果直接決定了其導熱性能，而物質導熱率的計算一般情況下都是以德拜方程來運算。

在該方程中， 表示材料的體積比熱容，而 則代表聲子運動效率， 為聲子的平均運動行程。

通過該方程可以得出結論，材料的導熱性主要被聲子的平均自由行程所左右。無機非金屬材料因為其內部的晶體構造有著比較高的聲子平均自由行程，所以通常導熱性能較高。多數聚合物材料的分子結晶程度普遍較低，并且晶體的結構沒有規律可循，非晶區的存在以及材料制作中的不足都可能會致使聲子的散射被影響，進而使材料內部的聲子熱擴散效應被約束，導熱性較差。

二、高導熱無機填料的研究狀況

高導熱聚合物基復合材料的導熱效果的提升關鍵就在于其中填料的選取，一些金屬顆粒雖說有著較高的熱導率而得到了普遍的運用，不過這些填料在提高熱導性的時候也會影響聚合物的電氣絕緣效果。比如，會導致電導率和介電常數急速上升，從而無法運用到聚合物基復合材料中。所以，絕緣領域普遍重視的是擁有較高本證熱導率并且還有著優秀絕緣效果的無機顆粒。表1則列出了通常用到的無機填料的導熱率。

三、高導熱聚合物基復合材料的微觀結構設計方案

（一）高導熱顆粒的選擇

像是氮化硼納米管和氮化硼納米片等高導熱填料通常都有著不同的導熱效果，在某個方向上的導熱性較強。在需要導熱性具備一定方向性時，可以將填料進行定向分布，在需要的方向中復合材料能夠具備較為優秀地導熱性。當前運用在高導熱聚合物材料內填料的選擇的方法通常分為機械剪切或是外加電場等措施。

（二）混合填充

把類型和大小都不一樣的導熱填料混合填充可以更好地運用材料的性能，以便于得到性能更好的復合材料。混合式填充不但可以促進粒子與粒子之間產生更多的傳熱通路，并且還可以降低材料的顆粒填充量。將粒徑顆粒不同的材料通過填料的規格進行配合，以此來提高顆粒之間的導熱能力。把微納米混合氮化硼填充到聚乙烯中，可以發現，同樣的含量情況下，混合填充與微米填充對比擁有著更優秀的導熱效果。這是由于復合材料內部微米結構能夠當作導熱體系的主結構，而納米材料填補微米與微米之間的間隙，以此來產生導熱鏈。

形態和種類不同的顆粒之間的混合填充能夠最大化發揮其協調效果，整體控制復合材料的各個能力。通過研究可知，通過運用體系分數約28%-32%的氮化硼和體積分數2%左右的多壁碳納米管填充環氧樹脂，此時復合材料的導熱率大約是平常的約745%。將氮化硼納米管和氮化硼納米片填料混合填入環氧樹脂中，可以顯著地提高其導熱效果和電絕緣效果。混合填充料的使用，讓類型和效果不同的顆粒能夠進行同時作用，整體上提高了復合材料的功能性，不過如何選擇更為合理的混合材料還需要進行不斷地探索與實驗。

（三）雙逾滲結構

作為最初便運用在導熱材料設計過程中的材料，雙逾滲結構可以有效地減少材料整體填充顆粒含量。運用在高導熱復合材料中的雙逾滲結構的設計理念大體上和導電材料的設計一致，把填充材料加入到兩個不同的聚合物的共混材料中，使得粒子有選擇地分散到一個聚合物內，進而做到低含量情況下的高性能材料。

結束語：本文主要就高導熱聚合物復合電介質在微觀情況下的導熱性進行分析，并對影響其基體以及填充物的一些問題進行研究，重點詳解了高導熱聚合物復合電介質的微觀構成。

參考文獻：

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