高热导率复合材料

一、高导热率复合材料

1、导热非绝缘塑料

1）金属粉填充

一般有Cu、Ni、Sn、Al粉和填充的PVC、HDPE、PP、碳纤维(CF)或环氧树脂(EP)基体及固化剂的填充。填料体积渗滤临界值取决于粒子形状和粒子在树脂中的空间分布，与填充因子呈线性关系；填充因子决定着材料的导热系数，它包含了材料中填料空间布局及粒子形状对导热系数的影响；由于材料内部的多孔性，在接近填充极限时很难实现材料的高导热性。

复合材料的热导率随着金属粉末含量增加而增加，当金属含量低于10%时，材料的热导率缓慢增加，当体积份数大于30%时，含铜粉的材料热导率高于含锡粉的材料；同时还研究了铜粉体积份数为40%时，材料的热导率与颗粒直径关系，实验表明当铜粉直径为40～60μm时，材料热导率较高。

但是目前这类的研究一般只得到小于10W/m.K的导热复合材料。

2）石墨及CF填充

有研究结果表明，用热导率高、粒径小的石墨对聚丙烯进行填充改性，可以显著提高复合材料的热导率，当石墨质量百分含量为45％时，石墨/PP复合材料的热导率达到129W/（m·K），是纯聚丙烯树脂的6倍多；但流动性能和力学性能有所下降。

西安交大的井新利研究了天然鳞片状的石墨填充EP的导热及力学性能。发现单独使用过粗或过细的石墨都不利于改善加工工艺性，而将几种不同细度的石墨搭配使用则有比较好的效果，搭配可使材料中石墨的堆砌更致密，能提高导热系数。当石墨为60％时，导热系数达10 W/(m·K)，比纯EP提高了约50倍。钱欣等研究了石墨填充改性酚醛的导热行为。发现石墨含量并不是越大越好，呈现先慢增后快增然后再慢增甚至不变的情况。张舜喜研究了石墨、炭黑填充PE 的导热、力学性能。发现随石墨填充量增多，导热系数明显增加，在50％用量时，导热系数达47.4 W/(m·K)；石墨粒子大小对PE性能也有影响，石墨粒子小，弯曲弹性模量、冲击性能高，反之就低；偶联剂增强了石墨与树脂间的界面粘合力，使制品具有实用价值。

Chen Yumao等研究了CF增强EP复合材料的导热性能。CF体积分数为56％时，首次制得了导热系数达695W/(m·K)的树脂基复合材料，材料密度为1.48g/cm3。引入CF大大降低了材料的线胀系数。

此外，研究将基体采用导电有机物，对导热复合材料的导电性有不少帮助。导电有机物通常是指聚乙炔、聚亚苯基硫醚、聚噻吩等。用导电有机物做填料可以改善材料的相容性、加工性和导热性能，并可以减小材料的密度。但导电有机物质在不纯的情况下将成为绝缘体。

2、导热绝缘塑料

1）SiC、金属氧化物及混合填料填充

将酚醛树脂粉末与SiC、MgO、BeO、石墨或B4C5、玻璃纤维(GF)等捏合、混炼、连续递出，所制得的材料导热系数大于34.8 W/(m·K)。采用纳米颗粒能较大的提高制品的力学性能,此外，纳米粒子还能提高填充后材料的耐疲劳性。

2）金属氮化物填充

在金属氮化物中，一般选用AlN、BN两种氮化物。AlN、BN因导热系数高在导热塑料中得到广泛应用。AlN最大填充量为78.5％(体积比)时，导热系数为32.5 w/(m·K)。含88％BN时体系的导热系数为32.5 w/(m·K)。美国先进陶瓷

公司和EPIC公司开发出导热系数达20～35 W/(m·K)的BN/PB复合材料。

3、提高导热性能的途径：

1）开发新型导热材料

如利用纳米颗粒填充，导热系数可增加不少，尤其是某些共价键型材料变为金属键型材料，导热性能急剧升高。

2）填料粒子表面改性处理

树脂和导热填料界面对塑料导热性能有重要影响，所以导热填料表面的润湿程度影响着导热填料在基体中的分散情况，基体与填料粒子的粘结程度及二者界面的热障。

3）成型工艺条件选择及优化

导热填料与塑料的复合方式及成型过程中温度、压力、填料及各种助剂的加料顺序等对导热性能有明显影响。多种粒径导热填料混合填充时，填料的搭配对提高导热性能和降低粘度有明显影响，导热填料不同粒径分布变化时，体系导热性能和粘度发生规律性变化，当粒径分布适当时可同时得到最高导热系数和最低粘度的混合体系。

目前普遍的制造具有优良综合性能导热材料一般有两种途径：一是合成具有高热导率的结构聚合物；二是在聚合物中填充高导热性的填料，制备导热复合材料。其中第二种方法比较常见，一般都是用高导热性的金属或无机填料对高分子材料进行填充。绝大多数高分子材料本身属于绝热性材料。通过共混方法用导热性能好的填料对高分子材料进行填充改性，可得到导热性优良的高分子材料。

高分子材料加工的主要目标是高生产率、高性能、低成本和快捷交货。制品方面向小尺寸、薄壁、轻质方向发展；成型加工方面，从大规模向较短研发周期的多品种转变，并向低能耗、全回收、零排放等方向发展。

目前高热导率塑料的领跑者：

公司总部设在美国WARWICK. RI，生产制造导热塑料，提供热传递解决方案。公司的产品牌号是CoolPoly®，包括了各种基础树脂，导热性从2W/mK（与玻璃接近）到100W/mK（与铸铝接近）。

Coolpolymers公司供应导热塑料颗粒，也供应用导热塑料注射成型的制件。同时，还在结构设计、成型、测试、原型设计和模具设计方面协助用户的工作。导热塑料的优势导热塑料不仅具有金属和陶瓷的热传递性能，同时还保留了普通塑料在设计、性能和成本方面的其他优点。聚合物或塑料，就其基本性能来说，是阻热材料。但是，现在已经有了注射级的导热塑料。其导热性是基础树脂的100倍。

导热塑料是将高导热性增强材料添加在工程塑料或通用塑料中复合而成。它的优点如下：

均匀散热，避免灼热点；减少零件因高温造成的变形；提高机械性能（如强度、硬挺度）；

重量轻（比铝材轻40-50%），减小了对装置的震动，使性能的稳定性提高；

多种基础树脂的选择，如PP，ABS，PA，LCP，TPE，也可以采用较低成本的基础树脂；

成型加工方便，可采用普通塑料的成型工艺，适于大批量生产，无须二次加