摘要:导热材料的诞生,不仅丰富了高分子材料的生产实践,为技术进步提供了物质基础,而且扩大了热传材料的分析范围。除此之外,还应采取适当的工艺流程,并针对工艺进行持续改进,以使导热聚合物呈现最佳状态。现在对该问题的基本研究目标包括:针对已知导热填料进行优化;分析固有导热聚合物,并尽快将其用于具体应用。
关键词:导热高分子材料;导热机理;应用
1引言
目前,导热高分子材料的应用十分广泛,尤其在传热、加热等工程中起着重要作用。因为金属材料非常适合作为热传导材料,所以它的应用领域也是最广泛的。但众所周知,金属材料具有易腐蚀的缺点,在加工过程中必须加以应用。防腐蚀涂层可以防止材料腐蚀,但——旦在金属材料上刷高层,其热传导性就会降低,此时便激发了人们对新型热传导材料的不断追求。经研究,导热高分子材料应运而生,它很好地弥补了金属材料导热的不足,更好地满足了人们生产和生活的需要。
2导热高分子材料研究进展
伴随着现代科技和信息产业的迅速发展,电子设备逐渐实现数字化、网络化和多功能化,电子新产品越来越轻薄,其中导热高分子材料的使用具有很大的优势,如绝缘性好、机械性能好、抗疲劳性能好、耐化学腐蚀、质量更轻、加工成型容易等,但导热高分子材料的导热率很低影响着其在电子领域的应用和发展,因此,不断研究开发导热性强、综合性能好、导电性高的高分子材料是当前研究的重要方向。该文从高导热材料中所占比重最大的导热塑料,其次是高导热橡胶和高导热胶粘剂,介绍了高导热材料的研究进展。
2.1导热塑料
电磁场屏蔽和电子信息领域广泛采用的功率管、集成块、热管、集成电路和覆铜板等元件都是高散热的界面材料和封闭材料,导热塑料在电器和微电子领域的应用正朝着高密度、高集成、高功率、快速散热的方向发展。经过多个课题组的反复试验和研究,在导热性理论方面取得了一定的突破,导热绝缘无机填料的种类、晶型、粒径大小及分布、表面物化性能、用量及复合方式等都是影响复合材料导热性的重要因素。
2.2导热橡胶
当前导热橡胶的研究还不够成熟,在实践中的应用也相对有限,国外较为先进的技术水平将导热绝缘橡胶应用于汽车、航天军品、电机控制和电器、散热器、电源供应等领域。以导热橡胶为主要原料,填充具有导热性能的填料,易于加工,成本低廉,可提供稳定的散热效果。
2.3导热胶黏剂
微电子学领域的电子元件通常都是非常轻薄、轻巧、高密度装配、高频率工作,对导热材料的散热性能要求较高,目前在该领域广泛采用的复合热传导胶工艺,成本较低。对于半导体管与散热器的粘接、微包内多层板的导热绝缘以及新型高散热电路,都需要高性能的导热绝缘胶。
3导热原理
各种热传导材料表现出相异的热传导原理,晶体之所以能导热,是由于本来处于规整状态的晶体发生振动所致。对于金属晶体来说,它的热传导机理基本上是来自自由电子的随机运动,而声子只能起到很小的作用。由于在分析环节中,非晶体经常被看作是晶粒细小的晶体,因此也可以用声子的角度来解释。总之,除了电子和声子可以传递热传导作用之外,光子同样具有这种作用。
金属的导热因其自由电子量大而更加突出,并且在晶体中存在声子,非晶体比非金属要小得多。聚合物材料一般被认为是导热性较差的材料,其填充后具有一定的导热性能。但是这个特性同时会降低材料的强度。此外,填料的分布状态也影响着导热性。在物理不平衡的情况下,热能从高温部分向低温部分传输,但是,这种传输不是简单地沿一条直线从物体的一端走向另一端传输,而是以电子、光子或声子扩散的方式,最终使整个物体的温度保持一致,这一过程称为热传导。测量物体热导率的物理量计算中,单位时间内垂直于温度梯度方向的单位面积的热能与温度梯度成正比,热流与温度梯度方向相反,其中电子、声子传递热能的热导率不同,通过热导率的计算,更深入地研究了复合材料的热导率。
4导热高分子材料应用
4.1导热塑料
塑胶材料应用范围很广,对其导热性能有一定的要求,目前所研究的导热塑料分类较多,根据种类可分为热塑性导热树脂和热固性导热树脂;根据填充颗粒的不同,可分为金属填充型、氧化物填充型、无机非金属填充型。各种热传导性塑料类型,相应的应用环境,所使用的基体材料有 PPS,LCP,PP,PEEK等;所用的填充剂有 AIN,SiC,石墨,高导热炭粉等。因为塑料本身具有很强的绝缘性,不绝缘性导热塑料的绝缘性是由其填充的微粒决定的,常用的填料有石墨、炭黑等导电材料。对隔热型导热塑料,主要采用金属氧化物等作主要填充材料,这种结构可获得较好的导热性能。主要应用于电器行业的材料,由于它的制造成本较低,并支持成品加工后的白度调节,因此被广泛应用于许多领域。
4.2导热橡胶以及导热胶粘结剂
将Al2O3填充在硅橡胶材料中,可使橡胶材料具有较高的阻燃和导热性能,并通过填充物Al2O3在电子元件的表面形成导热层,导热系数可达2.72 W/(m• K)。在导热胶的应用中,广泛应用于电子电气行业,通过它对半导体管、散热器进行有效的粘接,进一步提高了粘接部位的导热性能。并将其应用于多层板的导热绝缘组装,与不同工艺的胶粘剂配合,使所呈现的导热性能符合使用要求。
4.3石墨导热材料
该材料主要应用于食品加工、医药等行业,作为工业生产中常用设备的热传导材料,尤其是安装在碳钢、不锈钢材质的热交换器上,具有良好的导热性。但是在使用过程中,应特别注意避免化学物品的接触,因为材料受到腐蚀而不能继续支撑热交换器运转。所以在使用过程中,需要对石墨导热材料进行一定的隔离,避免与化学物质的接触,从而影响设备的热传导。
5总结
近年来,随着科学技术的发展,对聚合物导热材料的研究取得了一定的成果,聚合物导热的概念、导热机理、导热系数及影响其导热性能的因素等基础理论方面的研究也得到了很大的发展。大多数热导型聚合物所使用的基质是树脂,为了提高聚合物的热导性,需要根据应用场合和条件,加入相应的填充剂。在此基础上,优化了填充工艺和材料组合方式,提高了聚合物的性能,扩大了其应用范围。而且聚合物导热复合材料的选材和复合工艺方面的研究也从原来的普通金属材料发展到现在的聚合物复合材料,提高了导热材料的耐蚀性和导热性能。
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