关于导热高分子材料的研究与应用

关于导热高分子材料的研究与应用摘要：随着科学技术的进展,导热高分子材料的研究和开发也越来越高端。

在理论方面，对高分子材料导热性能的定义、导热原理、导热性能以及影响因素等开展了研究，在高传导性传热复合材料的选择与复合加工技术方面也获得了重要发展。

目前，应用和研究最为广泛的是添加型导热高分子材料，它具有制作工艺相对简单以及成本较低的特性，受到各个领域的关注。

关键词：导热高分子材料；研究；应用1.导热高分子材料的分类1.1导热塑料导热塑料的高分子基体为树脂，以金属氧化物、金属氮化物、碳硼化合物作为填充物。

通过实验发现，当选用氧化铝、硅酸铝等物质进行填充时，导热高分子材料的导热性能表现更优，且导热性能的高低与填充物的数量正相关。

另外，将金属粉末、石墨、碳纤维等作为填充物，与聚乙烯、聚丙烯混合而成的导热高分子塑料，其导热性能也会得到明显的提升，主要是由于石墨、碳纤维等物质的结构更稳定。

1.2导热胶合剂导热胶合剂按照绝缘性能可分为绝缘型和非绝缘型，主要应用在半导体、密封、热绝缘等领域。

生产导热胶合剂的过程中，若对填充物进行固化处理，可显著提高导热高分子材料的导热能力，选用碳纤维作为填充物也能起到相同的效果。

1.3导热橡胶导热橡胶可分为结构型和填充型，目前研究重点放在填充型橡胶上，如在丁苯橡胶内添加氧化铝，且研究发现，当填充水平相同时，橡胶导热性能与氧化铝的粒径相关[1]。

2.导热高分子材料的理论研究2.1导热原理填充的导热物质以及高分子基体在某种程度上影响着导热高分子材料的导热性能，正是因为这种性质以及相互作用之间的关系决定了复合高分子材料的导热性能。

高分子基体中没有均匀有序的晶体结构或者载荷子，不能够达到热传递的要求，所以高分子基体的导热性能不是很好。

而导热的填充材料，不管是什么样的形态，填充材料的导热性能比高分子基体要好很多。

当填充物质的填充量比较少时，填充材料之间空隙较大，没有很好的接触，这时高分子复合材料的导热性能基本没有提高。

当填充材料达到一定的比例时，填充材料之间会形成某种网状或者链状的导热链，在导热链的取向与热流方向达到一致时，高分子复合材料具有很好的导热性能。

但是在热流方向上没有形成导热链时，高分子复合材料的导热性能也会很差。

所以，如何使得使热流的方向与导热链的方向达成一致才是对导热高分子材料的研究关键所在[2]。

2.2导热理论模型目前，导热理论模型大多数是针对低填充或者中等填充的理论模型，关于高填充或超高填充的研究较少，对高填充和超高填充的理论模型进行了研究，并得到了有效的成果，在这个理论模型中，可以认定在填充后的高分子复合材料中，如果所有填充粒子聚集而成的传导块与复合物的传导块在热流方向上是平行的，此时高分子复合材料的导热率最高。

当传导块方向和热流方向相互垂直时，高分子复合材料可以达到最低的导热率。

这个理论模型不仅全面考虑的粒子对高分子复合材料的导热性能的影响，而且还假定了粒子是处于均匀分散的状态的，通过实验，理论曲线和实验数据基本相符，能够验证该理论模型的正确性。

2.3影响因素(1)温度因素温度与导热高分子材料导热性之间的影响关系非常复杂，一般情况下，温度越高，材料导热系数越大，但不同材料之间的变化规律差异显著。

例如，非晶聚合物的导热性与温度间的关系为曲线，温度升高，非晶聚合物的导热性能提升，但当温度超过一定数值后，导热性能随温度升高而降低。

且在上升段，温度对材料导热性能的影响程度逐渐减弱，在温度处于较低范围时，温度上升并不会引起材料导热性能的变化。

(2)拉伸取向导热高分子材料拉伸取向与其导热性能之间也存在显著的相关性，例如非晶聚合物中含有非晶玻璃聚合物及非晶弹性体，当以上物质受拉伸作用时，分子链的拉伸取向增加，且导热性能随拉伸增加而下降。

拉伸取向对结晶聚合物导热性能的影响则更加复杂，通过长期、大量实验发现，结晶聚合物的导热性与结晶完整性相关。

3.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[3]。

3.1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。

3.2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。

3.3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。

4.导热高分子材料的应用分析4.1不同高分子材料的应用（1）石墨导热材料换热器是化工、制药、食品、能源等工业部门广泛应用的通用设备。

碳钢和不锈钢导热性很好，然而在特定的情况下，特别是有腐蚀性化学物质时，则不能适应要求。

高分子材料虽然化学稳定性优异，但热导率较低。

用石墨作为导热填料以改性酚醛树脂为粘结剂制成酚醛/石墨导热塑料，既保留了塑料优异的耐腐蚀性能，又有与金属相近的导热性能。

（2）导热绝缘胶黏剂在当代电子技术革命的浪潮中，电子电气材料领域急需导热绝缘材料。

如半导体管陶瓷基片与铜座的粘合、管心的保护、管壳的密封整流器、热敏电阻器的导热绝缘微包装中多层板的导热绝缘组装等需要不同工艺性能的导热绝缘胶。

（3）导热节能胶粘剂目前节能胶黏剂主要是TM胶黏剂，该节能胶黏剂分为无机型和有机型两种。

其中无机型胶黏剂以鳞片状石墨及硅酸盐作为导热材料，其优点是导热率高、传热效果优良，可适用的温度范围非常广。

有机型胶黏剂的导热材料为高纯度结晶石墨，以高分子物质作为粘合剂，并添加适量其他试剂形成单组分导热材料。

该类型胶黏剂具备化学性质稳定、强度大、耐水性优、存储便利、生产工艺简单等优势，适用的温度范围也比较广泛。

4.2提高导热高分子材料性能的途径（1）优化基体材料的选择对于高分子复合材料的导热性能，基体材料的选择会产生很大的影响，所以选择合适的基体材料对于提高高分子复合材料的导热性能具有非常重要的意义。

高分子材料基体本身是拥有良好的导热性能、较好的力学性能以及易于加工等特性的，这是非常适合与大量填充的。

能够满足上述要求的高分子基体材料中，导热塑料基体有HDPE、LDPE、PP等；硅橡胶、丁晴橡胶等是导热橡胶基体的主要成分，当然天然橡胶和丁苯橡胶也可以作为基体材料；通常环氧类和硅胶类胶粘剂可以作为导热胶粘剂的基体材料。

（2）强化填充料预处理填充材料的超细微化能够大大提高自身的导热性能，不同的偶联剂、表面处理剂是可以使得高分子材料基体与填充材料的相容性得到一定的提高的，这样还可以提高高分子复合材料的导热性，同时保证基体材料的力学性能不受影响。

例如，将铝粉先用甲醇溶液进行处理，然后再填充到环氧树脂基体中去，可以提高铝粉与环氧树脂基体之间的相容性。

（3）优化生产工艺条件导热填充材料、高分子基体二者之间的结合方式以及在填充时各种助剂的添加顺序都会影响高分子复合材料的导热性能。

当具有不同粒径的导热填充材料发生混合填充时，会使填充材料达到最大程度的堆积，这对基体材料导热性的提高具有很大作用。

填充材料的搭配也可以在一定程度上影响基体材料的导热性能以及黏度，当填充材料以合适的粒径进行分布时，基体材料的导热性能会有所、提高，同时还会降低基体材料的黏度。

另外，在填充的成型过程中，温度、压力和时间对于高分子复合材料的导热性能也会产生影响，例如高温硫化导热硅橡胶的导热率高于在常温下硫化导热硅橡胶的导热率。

所以，在填充时一定要注意对工艺条件进行选择和优化，使得导热高分子材料的导热性能最优。

5.结束语近年来,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。

参考文献：[1]李成东.浅谈导热高分子材料的研究与应用[J].科技风2020(05).[2]谢婵，彭富忠.导热高分子材料的研究与应用分析[J].低碳世界.2019(12).[3]许佳敏.导热高分子材料的研究与应用[Ｊ].化工设计通讯2019.45（02）：72。