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納米應(yīng)用

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無(wú)機(jī)導(dǎo)熱填料 在導(dǎo)熱絕緣高分子材料中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間:2019-07-26 16:25瀏覽次數(shù):
高分子材料具有密度小、容易加工、電絕緣性好等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于如微電子集成與封裝領(lǐng)域,電機(jī)領(lǐng)域,LED節(jié)能領(lǐng)域等領(lǐng)域,但通常而言高分子為熱的不良導(dǎo)體,作為絕緣材料而言其散熱能力正成為瓶頸問(wèn)題,迫切需要制備綜合性能優(yōu)異的高導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料。 
示例 絕緣導(dǎo)熱塑料用在LED導(dǎo)熱燈杯
備注:大功率的LED輸入功率的75%的電能會(huì)轉(zhuǎn)變成熱能,如果這些熱能不能及時(shí)從LED燈的整體部件中導(dǎo)出,溫升將會(huì)嚴(yán)重影響LED的發(fā)光效率和使用壽命。因此需采用具有優(yōu)秀散熱能力的導(dǎo)熱杯
目前有兩種方法來(lái)提高聚合物的導(dǎo)熱系數(shù)。第一種是定向拉伸;第二種實(shí)用方法是填充高導(dǎo)熱填料制備復(fù)合型導(dǎo)熱材料,該法具有工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜和易于加工等等優(yōu)點(diǎn)。因此在實(shí)際當(dāng)中常常第二種方法來(lái)提高聚合物的導(dǎo)熱系數(shù)。 

示例:氮化硼粉體是一種具有較熱導(dǎo)率的填料 
下文將對(duì)絕緣高分子材料常見(jiàn)的導(dǎo)熱填料種類(lèi)及其對(duì)材料熱導(dǎo)率影響的因素做簡(jiǎn)單整理。
一、絕緣高分子常用的導(dǎo)熱填料
1、氮化物填料及其應(yīng)用

氮化物填料主要有氮化鋁(AlN)、氮化硼(BN)以及氮化硅(Si3N4)等,因其具有熱導(dǎo)率高、電絕緣性能好、耐高溫性能出色以及介電性能優(yōu)良等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于絕緣高分子材料中。
a 氮化鋁:導(dǎo)熱系數(shù)非常高,用氮化鋁填料填充環(huán)氧樹(shù)脂,制得的材料的耐熱性、力學(xué)性能得到提高,介電性能下降輕微。但其價(jià)格昂貴,吸潮易水解從而影響制品熱導(dǎo)率。單純采用氮化鋁填充,可以達(dá)到較高的熱導(dǎo)率,但體系的粘度急劇上升,限制了其應(yīng)用。
b 氮化硼:屬六方晶系的層狀結(jié)構(gòu),與石墨結(jié)構(gòu)類(lèi)似,具有較高的熱導(dǎo)率,較低的熱膨脹系數(shù),優(yōu)良的熱穩(wěn)定性,較高的抗氧化性等。但其價(jià)格較高,雖然單純采用氮化硼可以達(dá)到較高的熱導(dǎo)率,但與氮化鋁類(lèi)似,大量填充后體系的粘度急劇上升,限制其應(yīng)用。
c、氮化硅:具有α和β兩種晶型,均為六方晶系。由于α-Si3N4晶粒中存在晶格應(yīng)力,自由能比β相高,所以穩(wěn)定性較差,而β-Si3N4中不存在晶格應(yīng)力,作為填料填充有利于形成顆粒網(wǎng)絡(luò),提高熱導(dǎo)率,具有良好的力學(xué)性能,因此在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中以β-Si3N4為主。
2、氧化物填料及其應(yīng)用 氧化物填料主要有氧化鋁(Al2O3)、氧化鎂(MgO)、氧化鋅(ZnO)等,它們具有一定的導(dǎo)熱能力,電絕緣性能優(yōu)良。氧化物填料主要以與氮化物混雜的方式填充絕緣高分子材料,從而可以提高材料的熱導(dǎo)率,保持穩(wěn)定的電性能,降低生產(chǎn)成本。 

a、氧化鋁:針狀氧化鋁的價(jià)格低,但填充量小,在液體硅膠中,普通針狀氧化鋁的最大添加量一般為300 份左右,因此所得產(chǎn)品的熱導(dǎo)率有限。而球形氧化鋁的填充量大,在液體硅膠中其最大添加量達(dá)到600~800 份,所得制品的熱導(dǎo)率高,同時(shí)價(jià)格較高,但低于氮化硼和氮化鋁的價(jià)格。
b、氧化鎂:價(jià)格低,在空氣中易吸潮,增粘性較強(qiáng),不能大量填充,且耐酸性差,很容易被酸腐蝕,不宜用于酸性環(huán)境中應(yīng)用。
c、氧化鋅:粒徑及均勻性很好,適合生產(chǎn)導(dǎo)熱硅脂,但其熱導(dǎo)率偏低,不適合生產(chǎn)高導(dǎo)熱產(chǎn)品;質(zhì)輕,增粘性較強(qiáng),也不適合灌封。 

3、碳化物填料及其應(yīng)用 碳化物填料主要是碳化硅和碳化硼填料。
a、碳化硅:一種共價(jià)鍵很強(qiáng)的化合物,常見(jiàn)的有六方晶系的α-SiC 和立方晶系的β-SiC,類(lèi)似金剛石結(jié)構(gòu)。碳化硅具有耐腐蝕、耐高溫、強(qiáng)度大、導(dǎo)熱性能良好、抗沖擊等特性,同時(shí)具有熱導(dǎo)率高、抗氧化、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),在微電子工業(yè)中常用于封裝材料中。但是碳化硅在合成過(guò)程中產(chǎn)生的碳和石墨難以去除,導(dǎo)致產(chǎn)品純度較低,電導(dǎo)率高,限制了其在絕緣性能要求高的材料中的應(yīng)用;而且其密度大,在有機(jī)硅類(lèi)膠中易沉淀分層。
研究人員以碳化硅為導(dǎo)熱填料來(lái)填充環(huán)氧,發(fā)現(xiàn)納米碳化硅能夠促進(jìn)環(huán)氧樹(shù)脂的固化,碳化硅粒子更易在樹(shù)脂體系內(nèi)部形成導(dǎo)熱通路或者導(dǎo)熱網(wǎng)鏈,減少環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi)部空隙率,提高了材料的力學(xué)及導(dǎo)熱性能。
b、碳化硼:一種耐火材料和超硬材料,熱導(dǎo)率很高,但價(jià)格昂貴,在絕緣高分子材料中應(yīng)用不是很廣泛。研究人員以碳化硼為導(dǎo)熱填料來(lái)填充天然橡膠材料,發(fā)現(xiàn)碳化硼的加入可以提高天然橡膠的熱擴(kuò)散系數(shù),且天然橡膠的熱擴(kuò)散系數(shù)經(jīng)過(guò)老化后也有所提高。
4、混雜填料的應(yīng)用
將不同種類(lèi)的填料按一定比例配合使用,可以充分發(fā)揮單一填料的特點(diǎn),由于混雜效應(yīng),不但可以提高熱導(dǎo)率,還可降低成本。
研究人員將BN、AlN、MgO 按照3∶2∶5 的比例混合,再與聚醚酮、聚酰亞胺的二甲基甲酰胺溶液共混,結(jié)果發(fā)現(xiàn)模塑物具有較高的導(dǎo)熱性能。 


二、填料對(duì)材料熱導(dǎo)率影響的因素
1、填料粒徑大小的影響
填料粒徑大小和基體樹(shù)脂粉末粒徑大小均對(duì)體系的熱導(dǎo)率有一定影響。導(dǎo)熱填料經(jīng)過(guò)超細(xì)微化處理可有效地提高其自身的導(dǎo)熱性能,同一種導(dǎo)熱填料,填料越細(xì),越有利于其在絕緣高分子材料中的分散和導(dǎo)熱填料之間的相互接觸和相互作用,從而有利于提高熱導(dǎo)率。
但是在高填充量下,粒徑大小對(duì)熱導(dǎo)率影響將減弱,因?yàn)樵诨w樹(shù)脂內(nèi)部已經(jīng)形成導(dǎo)熱網(wǎng)鏈,粒徑大小的影響可以忽略。
2、填料微觀表面形態(tài)的影響 不同微觀表面形態(tài)填料具有不同的幾何結(jié)構(gòu)和微觀形態(tài),對(duì)材料性能有很大的影響。填料在基體樹(shù)脂中的分布狀態(tài)及導(dǎo)熱網(wǎng)鏈的形成對(duì)體系的熱導(dǎo)率有重要影響。填料主要有粒狀、片狀、纖維狀等,如果導(dǎo)熱填料在材料中分散的形狀之間相互結(jié)合形成類(lèi)似網(wǎng)狀或鏈狀的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò),那么該填料即是提高絕緣高分子材料熱導(dǎo)率的首選。
研究人員研究了粉末、晶須、纖維狀A(yù)lN增強(qiáng)超高分子量聚乙烯(UHMWPE)導(dǎo)熱性能,發(fā)現(xiàn)在AlN 臨界值以上熱導(dǎo)率隨用量的增加升高明顯,表明在材料內(nèi)部形成了某種導(dǎo)熱通路。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相同用量AlN 粉末,晶須、纖維對(duì)材料熱導(dǎo)率影響不同,其中晶須提高材料的熱導(dǎo)率最為有效,粉末的提高效果最差。 
圖 地源熱泵用超高分子量增強(qiáng)高導(dǎo)熱聚乙烯管材 
3、填料表面處理的影響
填料的表面處理對(duì)于減少填料和基體界面聲子散射,降低界面間熱阻,提高熱導(dǎo)率有一定影響。無(wú)機(jī)粒子和有機(jī)樹(shù)脂基體界面間相容性很差,粒子在基體中很容易聚集成團(tuán),難以有效分散。此外,由于無(wú)機(jī)粒子與有機(jī)樹(shù)脂的表面張力差異使得粒子表面很難被樹(shù)脂潤(rùn)濕,導(dǎo)致二者界面處存在空隙,使復(fù)合材料的界面熱阻提高。
故必須對(duì)導(dǎo)熱粒子進(jìn)行表面處理,以改善二者的界面結(jié)合情況。填料表面潤(rùn)濕程度影響填料的分散狀態(tài)、填料與基體的粘結(jié)程度、基體與填料界面的熱障大小,尤其是納米填料,如不能有效對(duì)其表面進(jìn)行改性,則無(wú)法將其以納米尺寸分散至高分子基體中。
4、填料添加量的影響 在較低填料用量下,采用高熱導(dǎo)率與低熱導(dǎo)率填料對(duì)高分子材料的熱導(dǎo)率影響甚微,主要原因?yàn)樘盍嫌昧窟^(guò)少,其完全被基體包裹,熱阻較大,熱導(dǎo)率主要取決于基體樹(shù)脂的熱導(dǎo)率,所以只有填料量達(dá)到一定程度后才對(duì)材料的熱導(dǎo)率產(chǎn)生影響。
其原因主要是當(dāng)導(dǎo)熱填料的填充量很小時(shí),導(dǎo)熱填料之間不能形成真正的接觸和相互作用,對(duì)導(dǎo)熱性能的提高幾乎沒(méi)有作用。只有導(dǎo)熱填料的填充量達(dá)到某一臨界值時(shí),導(dǎo)熱填料之間才有相互作用,體系中才能形成類(lèi)似網(wǎng)狀或鏈狀的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò),從而提高其導(dǎo)熱系數(shù)。
5、填料的復(fù)合方式的影響 填料的復(fù)合方式主要有不同填料之間的混雜復(fù)合、不同粒徑填料的混雜復(fù)合、不同微觀表面形態(tài)填料的混雜復(fù)合。
a、不同的導(dǎo)熱填料分子的形態(tài)和大小各不相同,若利用填料分子形態(tài)之間的差異進(jìn)行相互混合相互補(bǔ)充,可以更好的減少導(dǎo)熱分子之間的間隙,有利于導(dǎo)熱鏈的形成,更有利于提高體系的綜合性。
研究人員以SiC、AlN、Al2O3、MgO
為混合填料填充室溫硫化硅橡膠,結(jié)果所制得的硅橡膠的熱導(dǎo)率可高達(dá)1.3~2.5W/(m·K)。 
b、不同粒徑的粒子混合搭配及不同填料混合使用比單一填料更能提高材料的熱導(dǎo)率,這是由于大小粒子混雜填充可使不同粒徑粒子間形成較密集堆積,相互接觸幾率增大,可實(shí)現(xiàn)較高填充量。多種粒徑導(dǎo)熱填料混合填充時(shí),填料的配合對(duì)提高導(dǎo)熱性能和降低粘度有明顯影響,不同粒徑導(dǎo)熱填料分布變化時(shí),體系的導(dǎo)熱性能和粘度發(fā)生規(guī)律性變化,當(dāng)粒徑分布適當(dāng)時(shí)可同時(shí)得到最高熱導(dǎo)率和最低粘度。
c、將粒子和具有大長(zhǎng)徑比的晶須配合使用,由于混雜效應(yīng),填料間相互接觸幾率增大,更易形成導(dǎo)熱通路,比單一微觀形態(tài)的粒子更能提高體系的導(dǎo)熱性能。 

 

 



 
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