导电绝缘高分子复合材料的概述

导热绝缘高分子复合材料概述

摘要：本文介绍了导热绝缘高分子复合材料的绝缘导热性能及导热机理，综述了各类导热绝缘高分子如复合型导热塑料、橡胶、胶粘剂、涂层等的研究。阐述了高导热绝缘高分子材料的发展方向。

关键字：绝缘; 导热; 高分子; 复合材料

高分子材料具有轻质、易加工成型、抗冲击、耐化学腐蚀、热疲劳性能优异等特点。然而，绝大多数高分子材料导热率极低，是热绝缘体，如果能赋予其以一定的导热性，则会拓宽高分子材料的应用领域。尤其在导热领域的应用。另外高分子材料一般都具有电绝缘性，所以导热绝缘高分子复合材料应运而生，在一些领域有着独特的优势，如电气电子领域的散热材料、化工生产和废水处理过程中的热交换器等。根据电绝缘性可将导热高分子分为导热导电高分子和导热绝缘高分子两大类。导热绝缘高分子材料在绝缘散热及导热场合对于提高电气及微电子器件的精度和寿命具有重要意义。

1 高分子材料的导热性能及导热机理

1.1 高分子材料的导热性能

聚合物导热率很小，要拓展其在导热领域的应用，提高导热性能是关键。实现聚合物导热的途径有两种：一是合成具有高导热率的结构聚合物。如具有良好导热性能的聚乙炔、聚苯胺等对材料进行掺杂，通过电子导热实现导热；或具有完整结晶性，通过声子实现导热聚合物，如平行拉伸HEPE室温下拉伸倍数为25倍时，平行于分子链的导热率可达13.4W/(m.K).二是高导热无机物填充聚合物制备无机物、聚合物导热复合材料，如石墨、氮化铝填充高密度聚乙烯导热复合塑料。目前对第一类聚合物的研究更多地关注其导电性，其导热性能研究还未引起足够重视；完整结晶高度取向聚合物工艺复杂，难以实现规模化生产；用无机填料对聚合物得到的材料有不错的热导率，因价格低廉，容易加工成型，经过适当工艺处理可以应用于某些特殊领域。

对填充型导热绝缘高分子，热导率取决于高分子和导热填料协同作用。分散于树脂中的导热填料，有粒状、片状、球状、纤维等形状。填料用量较小时，填料虽均匀分散于树脂中，但彼此间未能形成相互接触和相互作用，导热性提高不大；填料用量提高到某一临界值时，填料间形成接触和相互作用，体系内形成了类似网状或链状结构形态，即形成导热网链。当导热网链的取向与热流方向一致时，材料导热性提高很快；体系中在热流方向上未形成导热网链时，会造成热流方向上热阻很大，导致材料导热性能很差。因此，为获得高导热高分子材料，在体系内部最大程度上形成热流方向上的导热网链，有效地强化传热是提高材料热导率的核心所在。

1.2 高分子材料的导热机理

根据热动力学说，热是一种联系到分子、原子、电子等以及它们的组成部分的移动、转动和振动的能量。因此，物质的导热机理必然与组成物质的微观粒子的运动密切相关。不同物质及物质处于不同状态时有不同的导热机理，相应导热能力也有很大差别。但是所有物质的热传导，不管处于何种状态，都是由物质内部微观粒子相互碰撞和传递的结果。

固体内部的内部导热载体分为三种：电子、声子及光子。晶体中由于微粒的远程有序性，声子起主要作用。许多高分子材料是不对称的极性链接所构成。如聚氟乙烯、纤维素、

聚酯等，它们都属于晶态或非晶态的材料，整个分子链不能完全自由运动，只能发生原子、基团或链结的振动。热导率对温度有依赖性。随着温度的升高，可以发生更大基团或链结振动，所以随着温度升高，高分子材料导热性提高。对于多晶态或玻璃态的绝缘材料，由于声子自由程很小，其导热率很低。对于绝缘高分子材料而言，材料的导热性能取决于含极性基团的多少和极性基团偶极化的程度。另外绝缘高分子复合材料的热导率也取决于分子内部的结合紧密程度，其可以通过外界的定向拉伸或模压的方式实现。

一般高分子材料本身的导热性能很差，是热的不良导体，只有通过填充高导热性的填料增加材料的热导率。填料本身的导热性能及其在高分子基体中的分布形式决定了整体材料的导热性能。高导热绝缘高分子复合材料的导热系数取决于高分子和导热填料的协同作用。当填料量较小时，填料在高分子基体中的分布近似以孤岛形式出现，聚合物为连续相，填料为分散相，填料呗聚合物基体所包覆，类似于聚合物共混体系中的“海-岛两相体系”结构。当填料的量达到某一临界值时，部分填料或填料聚合体会相互接触，在复合物材料中形成局部的导热链或导热网；若再增加填料量，导热链或导热网会相互联接和贯穿，在聚合物基体中形成贯穿整个材料的导热网络，这样填料聚集体导热网络与聚合物基体会形成相互贯穿的网络结构，使填充复合材料的导热性嫩显著提高。

2 导热绝缘高分子复合材料

2.1 导热绝缘塑料

2.1.1金属氮化物填充塑料

氮化铝、氮化硼因热导率高在导热塑料中得到了广泛应用。Xu Y S 等研究了氮化铝粉末及晶须填充的环氧、聚偏氟乙烯复合塑料导热性能，发现7μm粒子和晶须为25/1质量比混合，总体积为60％时，聚偏氟乙烯导热率达11.5 W/(m.K)；只用尺寸为115μm的氮化铝粒子时材料的导热率最大。用硅烷偶联剂处理粒子表面，因粒子、环氧界面改善减少了热阻，则环氧热导率可达11.5 W/(m.K)，提高了97％。但是，氮化铝加入降低了材料拉伸强度、模量及韧性，在水中浸泡后发生降解。

Yu S Z等研究了氮化铝/聚苯乙烯体系导热性能，将氮化铝分散到聚苯乙烯中，环绕、包围聚苯乙烯粒子，发现聚苯乙烯粒子大小影响材料热导率，2㎜的聚苯乙烯粒子比0.15㎜粒子体系热导率高，因粒子尺寸愈小，等量聚苯乙烯需更多氮化铝粒子对其形成包裹，从而形成导热通道。氮化铝加入显著提高聚苯乙烯热导率，含20％氮化铝且聚苯乙烯粒子为2㎜时体系的热导率为纯聚苯乙烯的5倍；用Agari导热模型讨论了氮化铝用量与材料热导率之间的关系，探讨了影响其导热性能的因素。汪雨狄研究了氮化铝粉末、晶须、纤维填充、增强UHMWPE导热性能。发现在氮化铝临界用量时，UHMWPE热导率增加缓慢，在临界值以上热导率随着用量增加升高很明显，表明在材料内部形成了某种惹到通路，等量氮化铝粉末、晶须、纤维对热导率影响不同，其中晶须最能提高热导率，粉末最差，表明热导率与氮化铝形态及其在材料中分别有着密切关系。

Hatsuo研究了BN/聚丁二烯（PB）导热性及力学性能。发现BN的高导热性和A阶PB树脂低粘度使BN易于被润湿及混合，可实现较大量填充；BN质量分数为88％时体系导热率为32.5(m.K)。SEM表明体系内部形成导热网络通路，BN与PN相界面结合良好，界面热阻小。此外，在水中浸泡24小时材料吸水率小于0.1％，随BN减少，吸水率降低，并进一步探讨了BN粒子尺寸对填充密度、热导率、热膨胀系数、模量及Tg影响。