導熱塑料是指具有較高導熱系數(shù)的樹脂材料或樹脂復合材料。在一些易被腐蝕的工作環(huán)境中，導熱塑料具有金屬材料不可比擬的工作壽命。但是樹脂材料本身的導熱性并不理想，需要在其中添加高導熱填料來改善材料的導熱系數(shù)。20 世紀末，國外專家常通過在樹脂中添加金屬粉末來提高材料的導熱系數(shù)。

 

       應用于填充型導熱塑料的導熱填料按照其導電性可分為絕緣導熱填料及非絕緣導熱填料。其中，絕緣導熱填料主要包括氧化物、氮化物和碳化物填料；而非絕緣導熱填料主要包括各類金屬粉末及石墨、炭黑等。

 

       一、填料種類

 

       1、氮化物

 

       氮化物通常具有導熱系數(shù)高、耐高溫、電絕緣性能好等優(yōu)點，可在不降低材料電絕緣性能的情況下提高塑料的導熱系數(shù)，但其缺點是價格偏高，限制了它在塑料中的廣泛應用。被用做導熱填料的氮化物主要有氮化硼（BN）、氮化硅（Si₃N₄）以及氮化鋁（AlN）等，它們的導熱系數(shù)可達 200～300 W／（m·K）。

 

       2、碳化物

 

       碳化硅可分為六方晶系（α－SiC）和立方晶系（β－SiC），其導熱系數(shù)為 80～120 W／（m·K），是性能優(yōu)良的導熱填料，同時還具有耐高溫、高模量、抗氧化性好等優(yōu)點，被應用于微電子封裝材料中。碳化硼（B₄C）也是一種耐高溫材料，具有極高的硬度與導熱系數(shù)，但昂貴的價格導致其在導熱塑料中的應用較少。

 

       3、氧化物

 

       氧化物填料主要包括氧化鋁（Al₂O₃）、氧化鋅（ZnO）及氧化鎂（MgO）等，雖然它們的導熱系數(shù)不如氮化物與碳化物的高，一般在 30～50 W／（m·K）之間，但也遠高于聚合物基體，并且電絕緣性能優(yōu)良，特別是其來源廣泛，價格低廉，具有市場競爭力，是制備絕緣導熱塑料的常用填料。

 

       4、金屬粉末

 

       通常金屬粉末都具有極高的導熱系數(shù)，可達 100～400 W／（m·K），是良好的導熱填料，但由于金屬系填料的傳熱方式為電子導熱，電絕緣性能差，因而限制了其在電絕緣性要求嚴格的電子工業(yè)領域中的應用。

 

       5、新型碳材料

 

       石墨、碳納米管、金剛石等新型碳材料也具有極高的導熱系數(shù)，碳納米管與金剛石的導熱系數(shù)可達 1000 W／（m·K）以上，但由于其成本極其昂貴，還未被大規(guī)模使用，并且碳系填料的加入通常會使制品的顏色變黑，在淺色制品應用中會受到限制。

 

       二、影響因素分析

 

       1、填料填充量的影響

 

       導熱填料的填充量與復合材料的導熱性密切相關。當填料含量較低時，無法形成有效的導熱網(wǎng)絡，對材料導熱性的改善效果不明顯。隨著填料含量的增加，材料內(nèi)部開始形成并完善導熱網(wǎng)絡，從而大幅提高材料的導熱系數(shù)。

 

       2、填料形狀尺寸的影響

 

       導熱填料的形狀影響導熱網(wǎng)絡的形成，從而影響材料的導熱性。當只有單一填料時，提高填料的長徑比可以促進填料之間的相互接觸，有利于形成連續(xù)的導熱網(wǎng)絡。此外，按一定比例同時添加長徑比大的和長徑比小的導熱填料比單一填料更能提高復合材料的導熱系數(shù)；向大粒徑填料中復配少量小粒徑同種或異種填料也可以較好地提高復合材料的導熱系數(shù)。

 

       3、導熱填料表面處理

 

       導熱填料與樹脂基體間的界面相容性很差，這不僅影響材料的導熱性能，還影響材料的力學性能。用偶聯(lián)劑處理不僅可以有效地去除兩者間的界面缺陷，還可以改善填料的分布狀況，從而提高材料的導熱系數(shù)和力學性能。但是，過量的偶聯(lián)劑也會在導熱填料和樹脂基體間形成“壁壘”，阻礙熱量傳遞，從而降低材料的導熱系數(shù)。

 

       轉(zhuǎn)自——工程塑料應用公眾號

 

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