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填充型导热塑料研究与应用进展

日期:2017-01-13

    前言本文以导热填料为主线,对金属、金属氧化物、氮化物、碳材料等功能填料改善塑料导热性能的研究状况进行综述。此外,还介绍了填充复合型导热塑料在LED 灯、管材和换热器等领域的应用进展。
填料种类
1、金属
    金属是热的良导体,主要依靠自由电子实现热传导,其声振效应所引起的热传导可忽略。
    少量金属加入基体中,便可大幅度提高复合材料的导热和导电性能,在非绝缘场合占据重要位置。
2、金属氧化物
    金属氧化物绝大多数为绝缘体,主要是靠声子导热机理实现热传导。与金属相比,其氧化物热导率虽然不高,但价格十分低廉,大量填充到聚合物中也可以达到理想的导热效果。
常用的金属氧化物填料:
    Al2O3: 一种很常用的导热填料,相对于聚合物材料具有较高的热导率,较好的介电性能和相对低廉的价格。
    MgO:相对于Al2O3,MgO在空气中易吸潮,增黏性较强,不能大量填充,且耐酸性差,很容易被酸腐蚀,因此限制了其在酸性环境中的应用。但是,采用与热导率较高的氮化物复配的方式,少量填充MgO,可以降低复合材料的成本。
    在高粉体填充时,熔体黏度增大,加工较困难,ZnO 的增黏性较MgO 低,将其填充到尼龙(PA)6 中,制得的导热塑料具有更高的热导率和加工流动性。当改性后的ZnO 的体积分数为25% 时,复合材料的热导率达到1.05 W/(m·K)。
3、氮化物
    相对于金属氧化物,金属氮化物热导率高、线膨胀系数低、耐高温、电绝缘性好并具有较好的介电性能,广泛用作电子陶瓷基板及导热封装材料,是一类很有潜力的导热填料,但其缺点是价格较贵,这在一定程度上限制了它在导热塑料中的应用。
常用的氮化物有氮化铝(AlN),BN 和氮化硅(Si3N4),它们具有致密的内部结构,少量的添加即可达到较高的热导率。
4、碳材料
    常见的碳材料主要有碳化硅(SiC) 和石墨,它们的热导率高,价格相对低廉,是制备导热材料的理想填料。
    SiC 具有良好的热稳定性,硬度高,线膨胀系数低。
    石墨的热传导载体为电子和声子,两者的协同作用使其具有很高的热导率,与金属最为接近。
    由上述四类填料特性可见,不同种类的导热填料各有优缺点,对塑料导热性能的改善效果也不尽相同。这就要求研究者充分了解各种填料的性能,并且根据自己的研究方向,选择合适的导热填料与基体进行填充,最终使导热复合材料具有良好的综合性能。
导热塑料的应用 LED
    导热塑料可以替代金属部件应用到LED 中,例如:灯座、冷却散热灯杯、外壳、散热器、基板、反射器、插件等。
    这不仅可以避免金属在恶劣环境中容易发生腐蚀和结垢,使灯具过重、成型困难等问题,而且可使LED 的散热均匀,减少零件因高温造成变形,从而延长灯具的使用寿命,还能降低运输、安装的成本。
导热管材
    相对于钢制、铁制等金属管材,塑料管材具有耐腐蚀性强、质轻、卫生安全、水流阻力小、对水质PH 值无要求等优点,在上下水管道、燃气管道、地板采暖管道和地源热泵等产业中广泛应用。
    但是,塑料的热导率低,通过降低管道壁厚或增大管道长度和表面积的方法来提高导热效率,会导致管道强度降低且增加成本。
    计算知:若塑料管的热导率 ≥ 1 W/(m·K)时,在地源热泵系统中,导热管比普通管单位管长的换热能力在冬夏季制冷制热工作下提高幅度均大于15%。因此,在换热工程中,采用导热塑料管具有更明显的经济效益和社会效益。
    所以,提高塑料管材的热导率,是节约树脂、节约能源、降低成本的有效措施。
换热器
    换热器是能源动力、石油化工、食品加工等行业的核心设备,在工业生产中占有重要的地位。
    传统的换热器都是由纯金属和合金加工而成,它们易被腐蚀而加重了工业生产的危险性,也造成了严重的经济损失。
聚合物换热器是用聚合物材料代替传统金属来制备的换热器,受到越来越多研究者的重视。
    石墨散热片是一种新材料,它是通过石墨热分解在高分子薄膜上形成一层石墨结晶层,既具有高的热导率,又具有良好的柔软性。实验表明,石墨散热片可以将热量快速地传递和散热,散热效果是金属铜(Cu)和铝(Al)的两倍以上。
其他方面
    导热塑料不仅可以应用在LED、导热管材和换热器中,因其具有优异的力学性能和导热性能更是航空航天领域必不可少的关键部件。特别是碳导热材料更是最近几年最具有前景的材料之一。
    高超声速飞行器长时间飞行驻点温度高,需要高导热材料及时对热量进行转移,从而增加飞行器的稳定性;
    空间飞行器的大面积薄板结构、固体火箭发动机喷管等部位,也要求材料具有质轻、热导率高、力学性能良好等优异的综合性能;
    另外,在大型计算机、笔记本电脑的CPU 及随着民用电器装置性能的不断提高,元件密集度不断提高,会使系统产生的热量骤增。
    这些热量若不能及时导出,电子器件的正常工作及系统的稳定性就会受到严重影响。
结语
    填充型导热塑料的研究和应用很多,传统的金属填料已经被金属氧化物、氮化物和碳材料所取代,采用不同的方法与不同基体复配后在一定程度上都发挥了各自的优势,取得了一些成果。在LED 灯、导热管材和换热器以及其它应用中,导热塑料起到了重要的作用。
    目前,导热塑料应用的行业越来越多,市场对于具有优良力学性能和高导热材料的需求也越来越大。
    因此,开发新型导热填料,探索不同种类填料对改善复合材料导热性能以及应用领域应受到高度重视,并应及时解决,以满足现代科学技术和国民发展的需要。

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