對導熱高分子材料的研究與應用

黃鑫(中國海洋大學材料科學與工程研究院， 山東 青島 266100)

對導熱高分子材料的研究與應用

黃鑫(中國海洋大學材料科學與工程研究院， 山東 青島 266100)

本文對導熱高分子材料進行了研究，并且對其中的應用情況進行了分析，最后針對導熱高分子材料的研究方向進行了展望。

導熱高分子材料；導熱機理；研究；應用；展望

對于一些高分子導熱材料來說，不僅僅要求其具有高性能的高熱能力，同時也要求其具有高強的耐腐蝕能力以及耐高溫能力。在目前電子技術發展迅速的時代，一些電子元件以及各種電路必須要具有高性能的導熱絕緣能力。

1 對導熱高分子材料的研究

對于各種材料來說，導熱的機理是不同的，對于晶體的導熱機理，其中是排列整齊的晶粒熱振動，主要是利用聲子的概念進行描述[1]。另外，是對于一些金屬晶體來說，其中一些自由電子的運動對導熱起著重要的作用，并且聲子所做出的貢獻在一定程度上是可以忽略的。非晶體的導熱主要是利用無規律的分子進行排列的，這樣能夠圍繞在一定的位置上進行熱震動，將能量傳遞給分子以及原子。對于非晶體來說，可以將其看成是晶粒極細的晶體，因此在也可以利用聲子的概念對其進行分析。對于一些具有透射性的晶體，在一定的溫度下，對導熱也有明顯的作用，對于導熱的載體主要是電子、聲子以及光子。金屬材料的導熱性能要高于非金屬材料，主要是由于在金屬的材料中，存在大量的自由電子。一般來說，對于高分子來說，其導熱的性能比較差，要想提升其導熱性能，必須要填充一些導熱性能強的填料。但是若是在高分子材料中填入填料，那么將會降低材料的強度。

首先是對金屬材料的導熱機理進行分析，其中金屬的導熱率為：λ=λe+λp

在以上的公式中，其中λe代表著熱導率的自由電子的分量，而λp代表著聲子的分量，對于一些純金屬來說，其中的λe遠遠大于λp，因此會得到λ≈λe，所以，其中金屬的導電性主要是取決于自由電子的運動，并且金屬原子之間有電子流在不斷的流動，這種電子流能夠將其中的熱量在一個金屬原子流向另外一個原子。

在一些室溫以及高于室溫的條件下，其中純金屬的熱導率以及電導率之間的關系符合相應的Wiedman-Franz定律：

在上述公式中L為洛倫茲常數，而e則是代表著電導率，T是絕對溫度，溫度升高時會逐漸的導致電導率下降，因此其中λe不會改變，在相應的低溫的條件下，其中金屬的熱導率是：

在以上公式中，其中TT2代表聲子對電子的散射引起的熱阻，而U/T則是代表著由雜志對電子散射引起的熱阻，但是若是在金屬含有其他的元素，那么將會影響導熱率[3]。

另外對于非金屬材料的導熱機理來說，導熱主要是利用聲子，其中非金屬主要是分為晶體非金屬以及非晶體非金屬兩種，其中晶體非金屬的導熱率僅次于金屬，也屬于一種性能比較好的導熱體。只有非常純的單晶體其熱導率比較好，這種晶體沒有雜質以及錯位等缺陷，僅僅是在聲子在相互之間散射而帶來的熱阻。在溫度逐漸的降低時，聲子之間的散射會逐漸的減弱，這樣其熱阻也會逐漸的降低，直到聲子的自由程被單晶體的界面限制時，那么熱阻才會逐漸的上升。

最后是對于絕緣高分子的材料的導熱機理的研究，但是絕緣高分子材料的聲子自由程度很差，因此其熱導率也比較低，其材料的導熱性能主要是取決于含極性基團的數量以及極性基團偶極化的程度。對于絕緣高分子來說，整個分子鏈不能夠完全自由運動，這樣僅僅會發生源自以及基團后者鏈接的振動。所以說，絕緣高分子材料的熱導率與溫度有很大的關系，在溫度逐漸的升高時，可以發生更大基團或者鏈接的振動，這樣材料的導熱性也會隨之增加。對于絕緣高分子材料，其熱導率也缺覺與分子內部結構的緊密程度，因此其結晶聚合物的熱導率遠遠的大于非晶態聚合物。以此聚乙烯為例子，超拉伸的聚乙烯的熱導率可以達到未拉伸時的兩倍之多，主要是在超拉伸時候能夠形成相當數量的伸展分子鏈構成的針狀晶體，所以，超拉伸的聚乙烯能夠成為有效的熱導體。

2 對導熱高分子材料的應用

日本的相關化學公司開發除了高純度的MgO，其中熱導率為λ≥50W/(m?K)，其中相當于AL2O3的三倍還多。另外利用平均粒徑為5～30μm的金屬粉末填料，其中熱導率為λ≥3W/(m?K)。另外，日本相關機構研制出了高導熱性陶瓷，傳統的氮化硅導熱性能很低，高導熱性的氮化硅主要是傳統氮化硅的基礎上加入一些晶體粒子，從而來使晶粒子形成100μm的纖維狀的氮化硅結構，這種新型的材料屬于普通氮化硅的三倍，熱導率很高。

對于高分子材料來說，雖然熱導率比較低，但是用石墨作為導熱填料，從而來以高興酚醛樹脂為粘結劑制成石墨導熱塑料，這樣有效的保證了塑料的耐腐蝕性，也使其具有良好的導熱性能。另外，導熱絕緣膠粘劑也是一個很好的例子，相關學者利用L-1型填料填充的各種環氧改性，自制出固化劑固化的膠黏劑。這種膠具有很多種功能，導熱性比較好，能夠作為導熱脂，同時也能夠作成膠黏劑以及涂料等。

3 結語

對于導熱的高分子材料的出現，有效的擴大了高分子材料的應用范圍，同時也擴寬了傳熱材料的研究領域。

[1]呂生華,梁國正.耐輻射高分子材料的研究和應用進展[J].工程塑料應用，2011，(01).

[2]孟令輝,白永平,黃玉東.高分子材料專業教學應加強環保意識的培養[J].化工高等教育，2012，(01).

[3]詹茂盛,何利軍.“高分子材料課程信息化師生互動教學方法”研究與實踐[J].化工高等教育，2010，(03).

黃鑫(1995-)，男，吉林省四平人，高分子材料與工程12級。