一文了解高导热聚合物复合材料

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一文了解高导热聚合物复合材料

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https://news.cnpowder.com.cn/77127.html

随着电子设备的不断微型化和工作频率的提升，散热问题已成为制约电子设备性能和寿命的关键因素。高导热聚合物复合材料作为解决这一问题的重要材料，其研究和应用日益受到关注。本文将为您详细介绍高导热聚合物复合材料的背景、常用聚合物绝缘材料基体、导热填料类型及其影响因素等内容。

背景与需求

随着电子器件的持续微型化，工作频率不断增加导致器件的工作温度不断上升，其性能、稳定性和寿命正经受日益严峻的考验。例如，电子器件的寿命与工作温度点成指数关系，当工作温度仅升高10～15℃时，可导致电子设备的寿命减少两倍。此外，一些新应用的出现，例如三维芯片、发光二极管和智能的电子产业，散热已经成为一个具有挑战性的问题。因此采用高导热材料将电子设备中产生的热量快速有效地移除以维持设备的操作温度显得尤为必要。

目前，聚合物材料凭借优异的电气绝缘性能、机械加工性能、轻质及低廉的价格而广泛应用于电子封装与电气绝缘领域。但是，聚合物材料的导热性能往往不尽人意，大部分聚合物热导率在0.1～0.5W/(m·K)之间，显然其已经远远不能满足日益增长的散热需求。目前，引入高导热填料制备聚合物基复合材料是广泛认同的提高材料整体导热性能的可行方法。

常用聚合物绝缘材料基体

用于电子与电气领域的聚合物绝缘材料自身必须具备优异的绝缘性能、化学稳定性、力学性能及易于加工成型。常用的材料主要有聚乙烯（PE），聚丙烯（PP），聚酰亚胺（PI），硅橡胶（SiR）及环氧树脂等。

导热填料

高导热聚合物基复合材料的导热性能的提高很大程度取决于填充颗粒的选择。根据填料材料种类的不同，可以将填料分为金属填料、陶瓷填料和碳填料。根据填料是否导电，则可以将填料分为电绝缘无机导热填料和非电绝缘导热填料，其中电绝缘无机导热填料主要指高导热陶瓷填料，而非电绝缘导热填料指的是同时具备高导电率和导热率的金属填料、碳基填料和部分陶瓷填料。通过填充导热填料，聚合物的热导率可以大幅度提高，从而制得不同导热性能的聚合物复合材料，但是填料的添加量应尽可能低，使填料对聚合物的力学性能和其他性能的影响降到最低，同时不会显著增加成本。

金属填料

金属本身为热的良导体，主要依靠金属填料内部电子的定向移动来进行热传递，因此金属填料不仅具有高导热性同时导电性也好，常用的金属填料主要有金、银、铜、铁等。金属填料与高分子聚合物之间在物理性能上存在着巨大差异，特别是热膨胀系数、弹性模量、流变性能和表面张力等，在使用金属填料填充高分子材料时，需要克服诸多困难。

陶瓷填料

聚合物材料得以在电子科技领域的大规模应用，除了本身的力学性能以外，还有一部分要归功于其良好的电绝缘性能，所以在通过添加高导热填料来提高聚合物的导热性能，同时应尽量避免对聚合物原有的电绝缘性能产生影响，在此理念上，许多研究者将目光集中于研究高导热且电绝缘的陶瓷填料。陶瓷填料主要有氧化铝、氮化铝、氮化硼、氧化镁、氮化硅等。

碳基填料

碳基材料主要包括石墨、石墨烯、碳纳米管、碳纤维等，由于它们固有的高导热性能已经被广泛用作导热填料，甚至在较低填充量下就能有效提高材料的热导率，并与金属和陶瓷材料相比它们具有质量轻的优点。在较多碳基材料当中，炭黑具有相对较低的热导率，因此不作为提高材料导热的一个填料。与其他的纳米碳材料相比，石墨烯具有低填充、高导热的特性。因此，选用石墨烯作为导热填料已经成为目前提高材料导热的一个趋势。

复合材料导热性能影响因素

除了填料本身的热导率外，影响复合材料热导率的主要因素有填充量、颗粒形状、颗粒尺寸、填料与基体之间的结合力以及界面的热性能等。

填料填充量

一般来说，复合材料的热导率随着填充量的增加而增加，且一般不是线性增加。在较低的填充量(＜35%)下热导率的增加量很小，只有在较大的填充量下才能观察到较大幅度的改善。这意味着在高填充量下，填充物连接形成了高效的导热通路，目前已有很多模型描述了这种现象。应该注意的是，提高填充量在提高热导率的同时也会导致复合材料变得脆弱，加工性能变差，且成本高。

填料形状

填充物形状对聚合物复合材料的热导率也有重要的影响。与其他形状的填充剂相比，一维填充物，如纤维、棒材、导线或管，理论上能显著提高复合材料的热导率，因为它们更容易在复合材料的一维填充物的纵向方向上形成导热通道。

一般而言，填料填充量很高才能获得较高的热导率。然而，高填充量会导致复合材料的黏度显著增加，并降低其加工性能．因此，寻找加工性能与热导率的平衡是制备复合材料的关键挑战。球形填料能很好地解决这一问题，球形Al2O3、AlN、Si3N4、SiC等已用于导热复合材料。即使对于那些有片状晶体结构的材料，例如BN，也已经开发了各种各样的方法来合成球形填充物，这可能会允许更高的填充量和提高加工性。

填料尺寸

当填料为单一尺寸时，填充量相同时，大粒径填料填充的复合材料的导热率往往比小粒径填充的复合材料的导热率高，这是因为大颗粒之间的界面接触较少，界面热阻较低。然而，粒径也不能过大，否则，填料之间不能形成密堆积，不利于导热通路的形成。

不同尺寸导热填料颗粒级配示意图

目前，行业上多采用不同粒径的填料搭配使用，以获得较高的导热率。选用不同尺寸的颗粒作为混合填料填充到基体材料中，大颗粒构成主要的导热通路，将小颗粒填充到大颗粒间的空隙中以形成更为丰富的导热网络，从而实现复合材料导热性能的提高。

表面处理

很多表面改性剂已被用于改性填料表面以减少界面热阻，包括表面活性剂、偶联剂、有机硅烷和钛酸盐、功能聚合物和无机涂料等。然而，必须指出的是，表面功能化可能并不总能提高材料的热导率，因为在进行表面功能化的同时也造成了缺陷．例如，用强酸处理碳纳米管，将羧基引入碳纳米管表面，功能化增加了界面耦合，但也导致了缺陷的形成，阻碍了碳纳米管声子的传输。