關于高分子材料導熱性能的研究

張盼

（池州學院，安徽 池州 247000）

所謂高分子材料，就是以高分子化合物為基體的材料，而導熱高分子材料，則是高分子聚合物中具有良好熱傳導性能的材料。伴隨著材料科學的逐步發(fā)展，導熱復合塑料、導熱膠粘劑、導熱彈性體等高分子材料因其良好的導熱性、優(yōu)異的電氣絕緣性能和加工性能等，在國防軍工領域、汽車電子行業(yè)、微電子技術的發(fā)展中發(fā)揮了積極的作用。

一、高分子材料導熱原理

熱傳導的過程通常采用的是擴散形式，在固體內(nèi)部的導熱載體又可以分為電子、光子和聲子三種。高分子材料一般為飽和體系，導熱載體為聲子，主要依賴晶格振動進行熱傳導。由于高分子聚合物的分子鏈是以無規(guī)則纏結(jié)的方式存在，其振動對聲子具有散射作用，因而情況下高分子材料的熱導率較低。

為提升導熱高分子材料的熱導率，通常有兩種做法：其一，向聚合物基體中加入導熱填料，制備合成填充型導熱高分子材料；其二，制備具有結(jié)晶和高取向結(jié)構(gòu)的聚合物材料，也就是合成結(jié)構(gòu)型導熱高分子材料。由于兩種材料加工工藝的復雜程度，以及生產(chǎn)成本差異巨大，當前實際用于生產(chǎn)領域的主要為合成填充型導熱高分子材料。

（一）導熱網(wǎng)鏈機理

填料的導熱性能，以及其在高分子材料基體中的分布決定了導熱高分子材料的熱導率大小。在向基體中添加的填料不多時，填料呈現(xiàn)分散相，此時對高分子材料的熱導率影響不大；隨著填料添加量的逐漸提高，在達到某一臨界值后，填料在基體中形成導熱網(wǎng)鏈，此后再增加填料的填充量，高分子聚合物的熱導率將會迅速增加。其原理在于，在構(gòu)成導熱網(wǎng)鏈后，填料與高分子材料基體在熱流方向上構(gòu)成類似于電路中并聯(lián)的關系，由導熱網(wǎng)鏈在熱傳遞中發(fā)揮主導作用。

（二）熱彈性復合增強機理

在高分子材料基體中隨著添加的填料增加，熱導率呈現(xiàn)穩(wěn)步增加趨勢；在加入填料的總量相同時，熱導率隨著粒度的增大而增加，上述特點可以用熱彈性復合增強機理加以解釋。聲子是固體物理學中抽象的固體點陣振動格波，可將熱振動過程簡化為聲子傳遞過程，材料的熱導率類似于彈性力學中的彈性模量，因而其變化是趨于平緩的，并且加入填料導致高分子聚合物的熱導率提升，可以理解為高熱導率物質(zhì)對低熱導率物質(zhì)的復合增強。

二、典型導熱高分子材料的性能及其應用

在工業(yè)生產(chǎn)實踐中，主要將絕緣導熱無機粒子如Si3N4、Al2O3、HBN等加入高分子聚合物中，制成合成填充型導熱高分子材料。對于有低絕緣或非絕緣導電要求的場合，也可選用金屬、石墨等作為填充料。相對于普通高分子材料，導熱高分子材料的熱導率可以達到前者的4～10倍。

（一）導熱膠粘劑

導熱膠粘劑主要在需要絕緣的環(huán)境中進行運用，應用于電氣工業(yè)中。對微包裝中的多層板進行導熱絕緣組裝、將半導體管陶瓷基片與散熱器黏結(jié)起來等，都可以利用導熱膠粘劑作為輔助。根據(jù)膠黏劑是否導電可以將其分為導熱絕緣膠粘劑和導熱非絕緣膠粘劑，前者主要用于對非絕緣導熱導電場合的黏結(jié)或?qū)μ娲鷤鹘y(tǒng)焊接，而后者更多應用于電子電氣領域中絕緣場合的導熱封裝。以氰酸酯為基體，加入質(zhì)量分數(shù)65%的SiO2后，氰酸酯的導熱率、介電常數(shù)和楊氏模量均呈現(xiàn)出增加趨勢。在環(huán)氧作基體中混合了質(zhì)量分數(shù)81%的金剛石粉后，得到導熱系數(shù)為2.8W/(m·K)的導熱非絕緣膠粘劑。為進一步提高導熱膠粘劑的熱導率，在制備過程中，可對導熱填料表面進行預處理，增大其潤濕程度，提升其界面性能。

（二）導熱塑料

導熱塑料的類別較多，根據(jù)填料的不同，可以分為金屬填充型、無機非金屬填充型以及氧化物填充型；根據(jù)基體的種類，可以分為熱塑性導熱樹脂和熱固性導熱樹脂；按照是否導電，可以分為導熱導電塑料和導熱絕緣塑料。導熱塑料具有散熱均勻、密度小、成型加工方便的特點，與其他導熱高分子材料相比，由于其加工方式為模具注塑成型，因而導熱系數(shù)呈現(xiàn)出各向異性。在垂直于膠料流動的方向上，導熱系數(shù)較小，是膠料流動方向上導熱系數(shù)的10%～20%。

（三）導熱橡膠

以硅橡膠作為基體，Al2O3作為填充物，讓填料在基體中均勻、網(wǎng)鏈狀分布，即可制成導熱橡膠。隨著Al2O3加入量的逐步提升，聚合物材料的導熱性能與阻燃性能均相應提升。在Al2O3加入量達到硅橡膠基體量的3倍時，該聚合物的導熱系數(shù)可達2.72W/(m·K)。除Al2O3外，也可以在硅橡膠中加入金屬粉末或氮化物如氮化硼等，同樣可以顯著提升硅橡膠的導熱性能。

三、結(jié)語

當前，工業(yè)建設中常用的導熱材料包括金屬材料、導熱無機材料等，高分子聚合物是近年來逐漸發(fā)展起來的導熱材料類別，在微電子封裝、LED照明等導熱場合發(fā)揮著其他材料難以替代的價值。為進一步推動高分子材料的實際應用，針對高分子材料的導熱機理、性能和應用加以深入研究至關重要，需有機化學、材料科學相關領域研究者引起足夠的重視。