导热高分子材料

导热高分子材料

一、概述

传统的导热物质多为金属如Ag, Cu, Al和金属氧化物如Al2O3, MgO, BeO以及其它非金属材料如石墨,炭黑,Si3N4,AlN。随着工业生产和科学技术的发展,人们对导热材料提出了新的要求,希望材料具有优良的综合性能。如在化工生产和废水处理中使用的热交换器既需要所用材料具有导热能力,又要求其耐化学腐蚀、耐高温。在电气电子领域由于集成技术和组装技术的迅速发展,电子元件、逻辑电路的体积成千成万倍地缩小,则需要高导热性的绝缘材料。近几十年来,高分子材料的应用领域不断拓展,用人工合成的高分子材料代替传统工业中使用的各种材料,特别是金属材料,已成为世界科研努力的方向之一。在导热材料领域,纯的高分子材料一般是不能胜任的,因为高分子材料大多是热的不良导体(见表2 )。

在塑料工业中,导热塑料最大和最重要的应用是替代金属和金属合金制造热交换器[3]。它可以代替金属应用于需要良好导热性和优良耐腐蚀性能的环境,如换热器、太阳能热水器、蓄电池的冷却器等。电子电器工业也是应用导热塑料较多的一个领域,主要用来制造要求较高的导热电路板。另外在用作输送、盛装、封闭、装饰、埋嵌等材料,以及满足某些制品在固化时的尺寸稳定性的要求方面也有应用。

在橡胶工业中,关于导热橡胶制品的研究开发,重点集中在以硅橡胶和丁腈橡胶为基质的领域内,用于制造与电子电气元件接触的橡胶制品,既提供了系统所需要的高弹性、耐热性,又可以将系统的热量迅速传递出去。如具有良好导热性和电绝缘性能的橡胶可以用于电子电器元部件的减震器;事实上,许多橡胶制品都在动态情况下使用,由材料的形变滞后效应所造成的体系温升经常是很高的,从而使得材料的动态疲劳性能下降。以往人们总是研究怎样从配方上降低橡胶材料的动态生热,而没有很好地研究胶料本身导热性好坏及怎样进一步提高的问题。

在粘合剂工业中,随着电子元器件和电子设备向薄轻小方面发展,对于用作封装和热界面材料的导热粘合剂尤其是导热绝缘粘合剂的需求越来越高。散热在电子工业中是一个至关重要的问题。比如对于电子元器件,如果热量来不及散除将导致其工作温度升高,这样不仅会降低其使用寿命而且也将大大降低它的稳定性。

如上所述,绝大多数高分子材料本身属于绝热性材料。要想赋予高分子材料优良的导热性,主要是通过共混(熔体共混和溶液共混等)方法在高分子材料中填充导热性能好的填料。这样得到的导热材料有价格低廉、易加工成型等优点。

二、导热高分子材料的制作

高分子材料是以高导热性的金属或无机元素为导热介质,将其注入各类金属(或非金属)管状、夹层板腔内,经密封成形后,形成具有导热性能的元件。在各种工况下,导热元件内的导热介质受热激发产生动能而运动、振动,并伴随有化学、物理变化,将热能快速激发并呈波状快速传递,这样高速运动的粒子流载着大量的热能,传到冷端放热,冷却后又恢复常态回到加热段继续吸热而传导。在整个传热过程中,元件的表面呈现出热阻趋于零的特征。这样得到的导热材料价格低廉、易加工成型,经过适当的工艺处理或配方调整可以应用于某些特殊领域。

三、导热的基本概念

当物体的温度不均匀时,热能将从高温部分传播到低温部分,使整个物体的温度趋于一致,这种现象称为热传导。若物体中存在温度梯度dTdx,则单位时间通过垂直于温度梯度方向的单位面积的热能dQdt,与温度梯度成正比。

即dQdt= -κdTdx (1)

式中,负号表示热流与温度梯度方向相反。κ称为导热系数,它是衡量物体导热性能的物理量。热能传输不是沿着一条直线从物体的一端传到另一端,而是采用扩散形式。热能的荷载者包括电子、光子和声子。对于绝大多数固体物质,热能荷载者是电子和声子。所以,物体的总导热系数为:κ=κe+κs(2)，对于完整的晶体电子的导热系数为:κe=13vflfcev (3)，声子的导热系数为:κs=13v-lcv (4)，式中,v-为声子平均速度,l为声子的平均自由程,cv为声子的热容。对于大多数聚合物,它们都是饱和体系,无自由电子存在,所以热传导主要是晶格振动的结果,即热能荷载者是声子,其导热系数由(4)处理。

四、导热高分子的导热机理

本文主要简单介绍了填充型导热高分子复合材料的导热机理。

导热高分子复合材料的导热性能最终是由高分子基体和高导热填充物综合作用决定的。作为导热高分子复合材料的填充物无论是以粒子还是以纤维形式,其自身的导热性都远大于基体材料的导热性,当填充量比较小时,彼此能够均匀的分散在体系中,它们之间没有接触和相互作用。此时填料对于整个体系的导热性的贡献不大,但是当填料量达到一定程度时,填料之间开始有了相互作用,在体系中形成了类似链状和网状的形态,称为导热网链。这样,当这些导热网链的取向方向与热流方向平行时,就会在很大的程度上提高体系的导热性。这就类似于一个简单的电路,当两个不同阻值的电阻并联在一起时,在一定的电压下,阻值越小的电阻对于电路中总电流的贡献越大。体系中基体和填料可以分别看作为两个热阻,显然基体本身的导热性很差使相应的热阻就很大,而填料自身的热阻是非常小的,但是体系中如果在热流方向上形不成导热网链,这使得基体热阻和填料热阻之间

是串连的关系,因此在热流方向上的总热阻是很大的,最终导致体系的导热性较差。而当热流方向上形成导热网链之后,填料形成的热阻大大减小,基体热阻和填料热阻之间有了并联关系,这样导热网链对于整个体系导热性起了主导地位而大大提高了体系的导热性。

五、高分子材料的优势

1)启动迅速,导热速度快。自元件一端加热,数秒钟就可将热量传递到另一端。

2)热阻小,均温性好。当量导热系数为3.2×106/M·℃,是白银的7 000余倍。沿传热元件轴向温差趋于零,这样可使元件的表面温度基本保持一致。

3)传热能力大。轴向热流密度8.6MW/m2,径向热流密度45MW/m2。

4)适用温度范围广。工质工作温度范围在60℃~1 000℃;元件工作温度范围可达材料使用温度极限。

5)与材料相容性好。与工程常用金属材料如钢、铜和铝等材料相容性好,不易产生不凝性气体,可有效延长元件使用寿命。

6)操作压力低。传热元件在270℃时内腔工作压力仅为0.9MP,不易产生爆管。

7)工质寿命长。传热工质用高温老化方式检验寿命11万h。

8)适用于高寒地区。环境温度低于0℃时不会发生冻裂现象,冬季设备停工时,不需要考虑管子的保温和防冻。

9)使用行业面广。已在多种类型的换热器如空气预热器、省煤器、余热器和太阳能热水器等设备中使用。

六、高分子材料的发展前景

综上所述,导热高分子材料从基础理论到产品开发等各方面都是高分子材料研究的重要内容之一。特别是20世纪90年代以来,导热高分子复合材料导热系数预测的数学模型研究取得了一定进展,纳米复合技术的引入为导热高分子材料研究提供了新的机遇和挑战。但是,导热高分子材料的研究仅局限于简单的共混复合,所得材料的导热系数还不高,高导热聚合物本体材料和复合材料在导热机理、应用开发等方面的研究远不如导电材料研究深入,导热系数预测理论局限于复合材料各组分导热系数的经验模拟,缺乏导热机理的理论支持。所以,纳米导热填料的研究和开发;聚合物树脂基体的物理化学改性;聚合物基体与导热填料复合新技术的研究和开发;聚合物复合材料导热模型的建立,导热机理(特别是聚合物基体与导热填料界面的结构与性能对材料导热性能的影响及导热通路的形成等)的研究;探索高导热本体聚合物材料的制备途径等应成为导热高分子材料研究的方向。导热高分子材料研究必将为高技术的发展奠定重要基础。