碳纳米管结构对红外辐射散热涂料性能的影响

酯树脂混合 ， 配制成辐射散热涂料 ， 其 中碳纳米管在
成膜 物质 中的含量 控 制在 １ ０ ％（ 质量 分数 ） 。
采用 自动涂 膜 仪 （ 合 肥 科 晶材 料 技 术 有 限公 司 ，
分别采用具有不 同结构特征 的几种碳纳米管作
为功 能填料［ １ ４ ３ ， 以水性聚氨酯作 为成膜物质 ， 制 得 碳纳米管辐射 散热涂料 ， 研 究 了碳 纳 米 管 的 结 构 特 征 对 涂料 散 热性ຫໍສະໝຸດ Baidu的影 响 ， 并 对 涂层 的热导 率 、 表 面 电
碳纳米管专用水性分散剂 Ｕ Ｔ ３ ５ ０ １ ， 江苏联科 纳
米 科 技 有 限公 司 ；流 平 剂 、 润湿 剂 、 消泡剂等 ， 德 国
Ｂ Ｙ Ｋ公 司 ；曲 拉 通 （ Ｔ ｒ ｉ ｔ ｏ ｎ Ｒ Ｘ一 １ ０ ０） ， 上海 国 药 化 学
光 谱 ；采 用 四探 针测 试 仪 （ 苏 州 晶格 电子 有 限公 司 ， Ｓ Ｔ ２ ２ ５ ８ Ａ） 测 定 电导 率 和表 面 电 阻 。 热 导 率 测 定 方 法 ：将 涂 料 涂 布 于 聚 对 苯 二 甲酸
成 为 一种 非 常有 效 的方 式 。特别 是 在 小 型 电子 器 件 、
航空航天等供散热组件安装空 间比较狭小 的应用领
域， 通过 传 导 和对 流 方 式 的散 热 效果 非 常 有 限 ， 此 时
红外辐射散热具有非常重要 的应用价值［ ２ ］ 。
增 强 辐 射 散 热 主 要 有 对 散 热器 件 表 面 阳极 氧 化 处理ｌ ５ ］ 和涂布辐射散热涂料ｌ ７ ］ 这 两 种 方 法 。表 面 阳极 氧 化 处 理实 施 方 法相 对 较 为复 杂 ， 成本 较 高 ， 且
２ ． ３ 碳 纳米 管复 合 涂料 的 散热 性 能 为 评 价 不 同碳 纳 米 管 复 合 涂 料 的 散 热 效 果 ， 通 过 自行 搭 建 的散 热 模 拟 实 验装 置 （ 图１ ） 进 行 升 温 加
热 测试 ， 结果见图３ 。
２ ３ ０ ０ Ｑ／ 口不等 ， 都具有 良好 的导电性。 其 中石墨化
第５ ４ 卷第 ２期 ２ ０ １ ６年 ３月
上 海 涂 料
Ｓ ＨＡＮＧＨＡＩ Ｃ ０ＡＴ Ｉ ＮＧＳ
Ｖｏ １ ． ５ ４ Ｎｏ． ２ Ｍａ Ｆ ．２ ０１ ６
碳 纳 米 管 结 构 对
红 外 辐 射 散 热 涂 料 ， 陡 能 的 影 响
张 浩 ， 楼 平 ， 刘 丰 文 ， 赵 定 义 ，陈名 海
本 研 究 自行 搭 建 一 套 散 热 性 评 价 装 置 ，通 过 对
比对 照样 和 空 白样 的实 际 温 度 来 评 价 散 热 效 果 ，自
探索研夯 ＿
４
上海涂料
第５ ４卷
由表 面电阻的测定数值可 以发现 ：这 ５ 种碳纳米管
配 制 的涂 料 固化 后涂 层 表 面 电阻 由 １ ０ ０ ０ Ｑ， 口至
层热导率最高 ， 达到 ２ ． ８ ０ Ｗ・ ｎ ｌ ・ Ｋ ～ 。
寿命 。 热传 递有传 导 、 对 流、 辐射三种方式 。目前 电子
行 业 都 是 通 过 在 电子 元 器 件 表 面 粘 贴 散 热 片 和 加 装 风 扇 来 散 热 ，这 种 散 热 组 件 主 要 增 强 热 的 传 导 和 对
具有一定的局 限性 ；涂布辐射散热涂料则施工简便 ，
射 率测 量 仪 （ 上海 诚 波光 电科技 有 限公 司， Ｉ Ｒ 一 ２）
测 定 红外 辐 射 率 ；采 用 拉曼 光 谱 仪 （ Ｌ ａ ｂ Ｒ ＡＭ Ｈ Ｒ
Ｒ ａ ｍ ａ ｎ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ， Ｈ ＯＲ Ｉ Ｂ Ａ Ｊ ｏ ｂ ｉ ｎ Ｙ ｖ ｏ ｎ） 测 定 拉 曼
探 素 栅 究 ＿
２
上海 涂 料
第 ５ ４卷
增 大其 辐射深度 ， 从 而有效 提高物体 的发射率 ｌ 】 ， 同时 ， 粉体填料的粒径越小 ， 比表面积越大 ， 其发射
率 相对 越 高 Ｊ 。 碳 纳 米 管 作 为 一 种 综 合 性 能 优 异 的 纳 米材 料 ， 既具 有 超 细 的纳米 级 结 构 ， 又具 有 超大 的 比表面 积 ， 其发 射 率很 高 ， 阵 列化 的碳纳 米 管 的辐 射 系数甚 至可达到 ０ ． ９ ９ ，因而 是 目前 辐 射 率 最 高 的材 料 ；同时 ， 碳纳 米 管具 有 沿轴 向非 常高 的热 导率 。因
摘 要 ：以水性 聚 氨 酯 为成 膜物 质 ，以碳 纳米 管 为功 能 填料 ， 制 备 了具 有 红 外辐射 增 强散 热功 能
的碳纳 米管复合涂料。 比较 了具有不 同结构参数的碳 纳米管对涂料散热性能的影响。 结果表 明：碳
纳米管能有效增强涂料的辐射散热性 ， 且碳 纳米管的晶格结构越完美 ， 缺 陷越 少， 涂料 的红外辐射散
而将碳纳米管作为填料配制 而成的涂料 同时具有高
的辐 射 率 和 导 热 系 数 。目前 以碳 纳 米 管 辐 射 散 热 涂 料 涂覆 在 铜 、 铝箔 表 面制 成 的散热 金 属箔 ，已经 在平 板 显 示 器 及 各 种 电子 器 件 领 域 获 得 应 用 ， 显 著 提 高 了散 热性 能 。 然而 ， 对 碳 纳米 管 结构 与 其散 热 性 能 的 关 系尚缺乏系统研究 ， 仍 有 许 多科 学 和 技 术 问题 有 待 深 入研 究 。
后的Ｇ — Ｔ Ｉ Ｎ Ｍ８ 碳 纳 米 管 的 导 电 性 比未 处 理 的 Ｔ Ｉ Ｎ Ｍ８ 碳 纳 米管 的导 电性 有 明显 的增强 。由热 导率 数值 可 看
出 ：以 Ｎ Ｃ ７ ０ ０ ０ 、 Ｆ Ｔ ９ ０ ０ ０ 、 Ｔ Ｉ Ｎ Ｍ６ 、 Ｔ Ｉ Ｎ Ｍ８ 为填 料 的涂
随着 电子技术 的高速 发展和人们消费需求 的 日 益提高 ， 电子产 品正向着高功率 、 高集成 、 小型化 的 方 向发展 ， 从 而导致 电子器件的工作温度越来越高 ，
如果散热能力 不足 ， 将 会 导 致 电子 器 件 的 工 作 温 度 大 幅上 升 ， 进 而 直接 影 响器 件 的性 能 、 稳 定 性 和使 用
Ｍ Ｓ Ｋ — Ａ Ｆ Ａ ～Ｉ Ｉ Ｉ ） 将制得 的辐射散热涂料均匀涂布在铝
箔表 面 ， 刮涂 厚 度 １ ５ ｐ ｍ， 待 涂膜 表 干后 ， 放人 １ ０ ０ ℃
的烘箱 中烘烤 １ ０ ｍ ｉ ｎ ， 然后剪裁成 ３ ５ ｍ ｍ× ３ ５ ｍ ｍ的
方块 试样 ， 用 于碳 纳米 管涂 料散 热性 能 的评价 测定 。
１ ． ３ 测定 与 表征
阻和碳纳米管粉体的微观结构进行 了测试 。
采用场 发射扫 描 电子显 微镜 （ Ｆ Ｅ — Ｓ Ｅ Ｍ， Ｑ ｕ ａ ｎ ｔ ａ
１ 试 验 部 分
１ ． １ 原 材 料
４ ０ Ｆ Ｅ Ｇ ， Ｆ Ｅ Ｉ ） 观察 碳 纳 米管 形 貌 ；采 用 双波 段 发
测定 ， 得 到热扩散率 ａ ；再 用 差 示 扫 描 量 热 仪 （ Ｄ Ｓ Ｃ ２ ０ ０ Ｆ ３） 测定 涂膜 完 全 固化 后 的 比热 容 Ｃ ；用 密 度 检 测仪（ 北 京 仪 特诺 电子 科 技有 限公 司 ， Ｄ Ｈ一 ３ ０ ０） 测 定
固体 密 度 ｐ 。由公 式 ＝ × Ｐ×ｃ 计 算 出涂 膜 固化 后 的 热 导率 。
试 剂 有 限公 司 ；水性 聚 氨 酯树 脂 ＡＤ Ｍ Ｚ ７ ０ ９ ，山东 奥
德美 高分子 材料有 限公 司 ；５ 种具有 不 同结构 特征 的碳纳米管粉体 ， 其来源以及基本参数如表 １ 所示 。
表 １ 碳 纳 米 管 的基 本 参 数 及 供 应 商
Ｔａ ｂｌ ｅ １ ＴＩ １ Ｐ ｂａ ｓ ｉ ｃ ｐ ａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｆ ｃ ａ ｒ ｂｏ ｎ ｎａ ｎ ｏ ｔ ｕｂ ｅ ｓ ａ ｎｄ ｔ ｈ ｅ ｉ ｒ ｓ ｕｐ ｐｌ ｉ ｅ ｒ ｓ
（ １ ． 国 网浙 江省 电力公 司湖 州供 电公 司 ， 浙江湖州 ３ １ ３ ０ ０ ０ ；
２ ． 武 汉科 迪 奥 电 力科技 有 限公 司 ， 湖北 武 汉 ４ ３ ０ ０ ０ ０ ；
３ ． 中国科 学院苏州纳米技 术与纳米仿 生研 究所 ， 江苏苏州 ２ １ ５ １ ２ ３ ）
层 热导 率 分别 是 １ ． ６ ７ Ｗ・ ｍ ・ Ｋ ～、１ ． ４ ５ Ｗ・ Ｉ ｎ 一・ Ｋ ～、 １ ． １ ５ Ｗ・ Ｉ ｎ ・ Ｋ 和 １ ． ０ ２ Ｗ・ ｉ ｎ ・ Ｋ ～， 其 随碳 纳 米管 管 径 增 大 而下 降 ， 而石墨化的 Ｇ — Ｔ Ｉ Ｎ Ｍ８ 碳 纳 米 管 的涂
热性 能越 优 良。
关 键 词 ：碳 纳 米 管 ；辐射 散 热涂 料 ；水性 涂 料 中 图分类 号 ：Ｔ Ｑ ６ ３ ０ ． ７ 文献 标 识 码 ：Ａ 文 章编 号 ：１ ０ ０ ９ — １ ６ ９ ６ （ ２ ０ １ ６） ０ ２ — ０ ０ ０ １ — ０ ５
０ 引 言
１ ． ２ 试 样 制备
碳 纳 米 管 膜 的制 备 方 法 如 下 ：称 取 一 定 量 的碳 纳米 管粉体 ， 加 入少量 Ｔ ｒ ｉ ｔ ｏ ｎ Ｒ Ｘ 一 １ ０ ０ ，以超 声 波 细 胞粉碎机超 声分散 ３ ０ ｍｉ ｎ 后， 采 用 真 空 抽 滤 方 法 在 纤 维 素微 孔 滤膜 表 面形 成 均匀 碳 膜 ， 真空 干燥 后 ， 采 用 四探 针 电导率 测 试仪 测定 电导率 。 碳 纳 米 管 辐 射 散 热 涂 料 的制 备 方 法 ：按 照 比例 称 取碳 纳 米管 和 Ｕ Ｔ ３ ５ ０ １ ， 配 制成 碳纳 米管 含量 ３ ． ０ ％、 固含量 ５ ． ０ ％ 的混 合 水 溶 液 ， 加 入少量 Ｂ Ｙ Ｋ润 湿 剂 ， 浸泡 １ ２ ｈ 。随 后 在 砂 磨 机 中研 磨 ３ ０ — ６ ０ ｍ ｉ ｎ ， 形 成 均 匀 的碳 纳 米 管分散 液 。 将碳 纳米 管 分散 液与 水性 聚氨
价格 低 廉 ， 且 不受 器 件材 质 的限 制 ， 此 外 还 能起 到 保 护器 件 的 作用 ， 近 年来 受 到广 泛关 注 。 辐 射 散热 涂 料 的关 键 即在 于其 中的辐 射散 热 填料 ，目前这 类 填料 主 要 有 纳 米 炭 球 ９、 炭 黑［ １ ０ ］ 、 碳 化硅［ ¨ ］ 等 。对 辐 射 散 热 涂 料 的相 关研 究 表 明 ：超 细 化 、 纳 米化 后 的物 质 具 有 微 观 的松 散 结 构 ， 可 以有 效 降低 物 体 的 折射 系数 ，
流， 但会 明显增加 电子产 品的体积 ， 不利于产品小型 化、 精密化的设计…。 与增强热传导和热对流相 比， 提 升散热组 件的红外辐射率来增强器件的散热性能
【 收稿 日期 】 ２ ０ １ ６ － ． － ０ １ — ０ ８ ［ 作 者简介 】 张浩 （ １ ９ ７ Ｏ 一） ， 男， 硕士 ， 高级工 程师 ， 从事 电力系统技术研究 。 通讯作者 ：陈名海 （ １ ９ ７ ８ 一） ， 男， 博士 ／ 研究员 ， 从 事纳米碳 材料 应用研究 。
乙二 醇酯 （ Ｐ Ｅ Ｔ ） 薄膜上， 膜厚 控 制 在 ５ ０ ｇ ｍ左 右 ，
于１ ０ ０ ℃下 烘 烤 ｉ ０ ａｉ ｒ ｎ ， 待 涂 膜 完 全 固化 后 ， 从Ｐ Ｅ Ｔ 薄膜上完整揭下 ， 按照激光热导仪 （ 德 国耐驰 ， Ｌ Ｆ Ａ
４ ４ ７） 的托盘大小裁剪成圆片状 ， 表 面 喷 石 墨 后 进 行