高导热绝缘复合材料的研究

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高导热绝缘复合材料的研究

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张志龙1)　吴　昊2)　景录如1)

(中国地质大学材料科学与化学工程学院1)　武汉　430074)

(华东交通大学信息工程学院2)　南昌　330013)

摘　要:综述了高导热绝缘复合材料的导热机理和常用的导热理论模型,介绍了基体材料和填料的研究进展,复合技术的进展及其在电子、电机行业的应用前景。

关键词:高导热;绝缘;复合材料;应用中图分类号:TQ330

Study of the High Thermal Conductivity and Electrical Insulation Composite

Zhang Zhilong 1)　Wu H ao 2)　Jing Luru 1)

(College of Material Science and Chemical Engineering ,CU G 1),Wuhan 430074)

(School of Information Engineering ,East China Jiaotong University 2),Nanchang 330013)

Abstract :The heat conduction mechanism and normally used theoretical models of high thermal conducting and electrical insu 2

lating composite are summarized in the paper.The progress in the polymer material ,filler and the fabricated techniques is intro 2

duced ,otherwise ,the prospect of such materials applied in electronic field and electromotor is presented and predicted

K ey w ords :high thermal conductivity ,electrical insulation composite ,application.Class number :TQ330

随着高分子材料在各行业应用的日渐普及,人们对其综合性能的要求不断提高。在当代电子信息技术革命的浪潮中,电子电气材料领域急需导热绝缘材料来散发集成电路中产生的大量的热,使电子元件在合适的温度下稳定工作,延长使用寿命。

导热绝缘材料用于电机行业时,可有效地降低电机绕组的温升,减小电机体积并增大功率输出[1-3]。到目前为止,还没有一种高分子材料同时具有导热性和绝缘性,国内外的研究都集中于将某种导热绝缘的无机填料掺杂到具有特定要求的高分子材料中,得到高导热绝缘复合材料。本文将论述影响复合材料导热和绝缘的因素,并介绍国内外的理论和应用研究状况。

1　高导热绝缘复合材料导热机理及

理论模型

热传导过程采取扩散形式。固体中,热能的载荷者包括电子,声子(点阵波)和光子(电磁辐射)大多数聚合物,都是饱和体系,无自由电子,所以热能

载荷者是声子。

如何利用各种手段以使体系中的导热网络最大程度上形成而达到有效的热传导,获得高导热性体系,许多研究者曾提出各种模型对不同形状填料(粉末,粒子,纤维等)填充的导热材料的导热率进行预测。如Maxwell 、Bruggeman 、Eucken 、Nielsen 和Cheng -Vochen 的两相模型理论,以及其它的一些模型理论如Russell 、Jefferso 和Peter 2son 等。Sundstron.D.W 将以上某些理论模型与实验结果相比较,发现它们有不同的偏差,如:Bruggeman 和Cheng -Vochen 的理论有4.5%的

偏差,Maxwell 则有10.6%的偏差,Peterson 有10.8%的偏差[4-7]。

以上理论所讨论的填充量一般集中在0～10vol %(低填充)或10%～30vol %(中等填充),A 2gari.Y 等[8]提出了一种新模型,对高填充以及超

高填充的导热材料进行了研究。Agari.Y 提出的新理论模型认为,在那些填充的聚合物体系中,若所有填充粒子聚集形成的传导块与聚合物传导块

总第150期2005年第6期 舰船电子工程Ship Electronic Engineering

Vol.25No.6

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收稿日期:2005年3月21日,修回日期:2005年4月13日

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在热流方向上是成行的,则复合材料导热率最高;若是成列的,则复合材料的导热率为最低,由于考虑了粒子的影响因素,并假定分散状态是均匀的,得到了理论等式:

1gk =V f C 21gk f +(1-V f )・1g (C 1kp )其中,C 1为影响结晶度和聚合物结晶尺寸;C 2为形成粒子导热链的自由因子;k 为复合材料的导热率;kp 为聚合物的导热率;k f 为粒子的导热率;V f 为粒子的填充体积分数。V.P.Privalko [9]等认为以上模型一般都假设两相界面是无限薄的,并没有考虑相界面区对导热性能的影响,因而预测结果必然会产生偏差。据此,他提出了一种“计算型模型”———逐步平均法(SSA ),并作出了较为理想的预测。有限元法引入热传导给计算复合材料的热导率带来了方便,Md.R.Isalam [10]等利用有限元法计算了碳纤维填充聚合物复合材料的横向(垂直于碳纤维)热导率,并作了合理的解释。由于纤维填充的效果更好及独特的各向异性,因此关于纤维填充复合材料的导热模型,有更多的研究[4],[11],[12]。I.H.Tavman ,H.Akmcl [12]研究了玻璃纤维增强高密度聚乙烯(HDPE )的横向导热系数,比较实验数据和Rayleigh ,geometric mean ,Spring &Tsai ,Halpin -Tsai 等模型的预测值,发现误差范围在2%以内,但何种模型更适合预测不

同纤维填料含量,特别是高k f /k p 比的复合材料的

导热系数,还需要进一步研究。

图1　高分子复合材料的导热模型

2　基体材料与无机填料的研究

影响填充聚合物复合材料导热绝缘性能的因

素主要包括聚合物基体,填料及其两相界面的结构与性能。

2.1基体材料的研究

作为导热绝缘复合材料基体材料,应具有如下性能:①本征绝缘,具有较高的导热系数。导热系数高的基体树脂都是结构规整,结晶度高的聚合物:对于绝缘型的高分子材料来说,材料的导热系数取决于含极性基团的多少和极性基团偶极化的程度,这种极化所需的时间为10-9s 左右。如聚酰

亚胺所含的极性基团多,且较易极化,其导热系数为0.37W/(m ・k ),在有机薄膜中最高。聚四氟乙烯无极性,其导热性就差,为0.25W/(m ・k )。Luc Langer ,Denis Billaud [13]等研究了拉伸和退火PPS

薄膜的热导,探讨了结晶度对热导率的影响,证实外界的定向拉伸和模压,可以提高其导热系数。②聚合物本身有良好的力学性能。③聚合物可加工性能良好,适合于高质量分数填充。满足这些要求的聚合物如表1所示:

表1　300K 时聚合物基体材料的性能[15]

材料

密度

(g/cm 3)k[W/(m ・k )]

抗拉强度MPa 冲击强度

kj/m 2HDPE 0.9510.40519～23 1.7～28

LDPE 0.9180.3058～11-PP 0.9110.24133～3730～150PA -6 1.1460.35559～697～12PA -66 1.1500.331

59～695～10POM 1.432

0.40245～6533～100PVC

-0.17034～44

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2.2填料的研究

2.2.1导热绝缘填料的选择

高导热绝缘复合材料的填料,主要是固体氧化物(Al 2O 3,MgO ,BeO 等)和一些二元化合物(SiC ,AlN ,BN 等)。金属粉末,石墨等导电物质虽然导热率很高,但其作为填料会使复合材料的绝缘性能降低,不适合作为导热绝缘填料。潘大海,刘梅等[15]研究Al 、Al 2O 3、SiC 和AlN 四种导热填料对R TV 硅橡胶性能的影响,发现填充铝粉的R TV 硅

橡胶击穿电压只有4千伏。但如以绝缘层完全包覆导电物质,则仍然可以得到导热绝缘复合材料,但导热性能会比较差。

表2　几种填料的导热系数材料名称K[W/(m ・k )]金刚石

2000硼氮立方体1309硼氮六方体40～120碳化硅

25～100四氮化三硅50氧化铍

370三氧化二铝25～40氮化铝150氧化镁

25～50

当填料与基体间导热系数比超过100:1时,复

合材料的导热性只会再有微小的增加[4],[6]。因此,即使用导热系数比较小的填料,也可以得到高导热系数的复合材料。但导热材料自身的导热性能也不能太低。但导热材料自身的导热性能也不能太低。Ravindra Mangal ,N.S.Saxena 等[17]研究

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