導熱絕緣高分子材料研究與制備

北京國電富通科技發展有限責任公司 穆靜靜 趙悅菊 滕濟林 王建輝 王國剛

導熱絕緣高分子材料研究與制備

北京國電富通科技發展有限責任公司 穆靜靜 趙悅菊 滕濟林 王建輝 王國剛

【摘要】隨著科技的日新月異，高頻微電子元器件越來越受到廣大人民的認知和使用。同時其性能如散熱，精度、壽命等亦受到更多的關注。但是該類元件與絕緣導熱高分子材料息息相關，提升這種材料的性能也成為現在的熱點話題之一。在本文中對原有導熱材料以及高分子聚合材料進行了詳細的對比，提出了新穎的制備方案。且導熱絕緣高分子材料相比于傳統導熱材料（金屬、陶瓷），聚合物基導熱復合材料具有質量輕和易于加工設計的優點。相信該類材料會在解決電器中相應的問題大放異彩。

【關鍵詞】導熱絕緣；熱導率；高頻微電子元器件，導熱絕緣高分子材料

前言

伴著科技在如今的發展和升級，電氣及其設備的集成化程度越來越高，為提高器件的使用性能，壽命和穩定性等一系列性能，對散熱要求也越來越高，因此對導熱材料要求也越來越高。在電氣設備中，隨著功率的提高和結構的集成化，其于運行中產生大量的熱量，會影響電子設備的一系列性能。在大中型高壓發電機和電動機結構，降低電機在運行中累計的熱，就能降低機械性能的損耗，起到節能減排的作用。在很多領域中要求所使用的電器設備的材料具有膨脹系數低、導熱系數高及高電絕緣率的特點，但是傳統導熱材料如鈦，其熱膨脹系數大而且密度也很大，已經不能滿足如今發展的要求，性能優異的導熱絕緣復合材料已經成為當今熱門課題。

1.絕緣導熱高分子的發展需求

導熱材料應用于國防工業和國民經濟的很多領域。但是傳統導熱材料為金屬，金屬氧化物，金屬氮化物以及其它非金屬材料。工業生產和科學技術的迅速發展對導熱材料提出了更新、更高的要求，除導熱性外，希望材料具有優良的綜合性能如密度小、容易加工、電絕緣性高等。在某些領域中不僅要有較高導熱能力，還需耐高溫和優異的絕緣性。如電器設備中廣泛使用的高散熱界面材料及封裝材料，電磁屏蔽、電子信息領域廣泛使用的功率管、集成塊、熱管、集成電路、覆銅基板等元器件等都需高導熱絕緣材料。金屬材料耐化學腐蝕性差、電絕緣性差，無機陶瓷材料絕緣性好，但加工成型成本高，抗沖擊性差，石墨導熱優良，絕緣性和力學性能差。故傳統導熱材料由于自身的局限已經沒有辦法滿足電絕緣場合的導熱使用要求。

于是高分子材料順勢而生，其不僅滿足該類電氣設備所需的性能，而且具有輕質、耐化學腐蝕、易加工成型、抗疲勞性能優良等一系列特點。令人遺憾的是，大部分高分子材料熱導率非常低。賦予高分子材料以一定導熱性，是無數人心中的美夢，如此就能拓寬高分子材料的應用領域，特別是在導熱領域的應用。根據電絕緣性可將導熱高分子分為導電導熱高分子和絕緣導熱高分子兩大類。絕緣導熱高分子在絕緣散熱及導熱場合對于提高電氣及微電子器件的精度和壽命具有重要意義。

2.導熱機理

熱導率即為導熱系數或稱傳熱系數，是材料的傳熱能力的量度。熱導率的數值表征物質的導熱能力的大小，熱導率很大的材料就是良好的熱導體，相反熱導率十分小的材料就是熱絕緣體。熱量的傳遞方式包括熱對流、熱輻射和熱傳導。在實際的熱量傳遞中，這三種方式是并存且相互作用。物質內部傳導熱能的載體基本上為分子、電子、聲子和光子。而其所對應導熱過程可以分別用分子導熱、電子導熱、聲子導熱和光子導熱機理來闡釋。表征物質內部導熱能力的大小一般用熱導率表示，它表示在單位時間及單位導熱距離單位溫度變化時，單位面積所通過的熱量。由于導熱機理都是微觀粒子相互的作用或碰撞，因此它們熱導率的表達式應具有相同的形式，只是表達式中物理量的意義不盡相同罷了。

導熱性能是聚合物重要的物理性能，但與金屬和無機材料不同的是，大部分聚合物都是飽和體系，并沒有自由電子的存在，分子運動十分困難，因此熱傳導主要為晶格振動的結果，聲子作為其主要熱能載荷者。針對熱流平衡計算，研究聚合物結構與性能的關系，聚合物加工工藝條件的選擇和確定及聚合物材料應用的選擇和對比等有重要意義。

3.影響聚合物基材料熱導率的因素

3.1 溫度

通常，熱導率與溫度成正比。但是，無定型聚合物與結晶聚合物變化規律就有很大的差別。非晶聚合物熱導率的溫度依賴性對于各種非晶聚合物基本相似。研究證明，在高于100K的溫度區域，熱導率隨溫度的升高而增大，即為與熱容成正比。但是當溫度超過該溫度后，熱導率卻會隨溫度升高而下降。

3.2 取向

高聚物的熱導率受取向的影響很大。拉伸非晶態聚合物，大分子鏈向拉伸方向傾斜，由于鏈的共價鍵比鏈間范德華力要強，因此沿拉伸方向的熱導率比垂直方向的要大，同時會產生強烈的各向異性。可知，在結晶聚合物熱導率中各向異性來的更加猛烈。也就是說結晶聚合物熱導率在低溫時受拉伸取向的影響不大，但高溫時影響會非常大。

3.3 交聯程度、輻射劑量和流體靜壓力

鑒于空間網絡密度的提高，非晶聚合物的熱導率隨交聯劑用量的增大而增大。正是因為在化學鍵網絡的結點上形成了導熱橋。但對結晶聚合物，增大輻照劑量會因結晶度降低和熔體熱導率增大而使聚合物熱導率減小。當流體靜壓力提高時，聚合物的自由體積分數減小，從而熱導率增大。

3.4 填料

聚合物基復合材料的熱導率取決于填料顆粒的形狀及其在基體中的緊密堆積結構，利用顆粒在基體中的緊密度堆積結構可以實現傳熱通路。Teng等使用多壁碳納米管和氮化鋁作為填料填充環氧樹脂。

4.制備方法

如今國外高導熱絕緣高分子材料為摻混型，就是用某種既導熱又絕緣的無機填料摻砸到特定要求的絕緣材料當中。用無機導熱填料代替其中部分的高分子，結果會使得整個絕緣系統的導熱性能全面提高。比如于環氧樹脂中加入適量的氮化鋁填料，換句話說就是將有序的晶格結構材料用相對無序的晶格結構材料替代，從而使整個絕緣體系的導熱性能提高。填料的形狀和分布影響總體導熱性能，平面結構優于球形結構。按照基體分類，填充型絕緣導熱高分子大致分絕緣導熱塑料、導橡膠、導膠粘劑、導涂層及其它。

目前制備聚合物基導熱材料的方法一般有兩種：一是合成具有本征結構的聚合物，由電子導熱機制進行導熱，導熱的同時也會導電。本征導熱聚合物具有密度低、價格貴、工藝多、難加工等一系列缺點，基本不能實現規模化生產。二是在基體樹脂中填充較高傳熱系數的無機填料來制備復合型導熱材料。與合成高導熱的結構聚合物相對比而言，復合型聚合物基導熱材料有工藝簡單、價格便宜和易于加工等等的優點，所以說這可以有效地提高塑料熱導率。在實際當中用高導熱無機填料對聚合物基體填充非常常見。

導熱填料基本上是微納米級尺寸，填料顆粒的團聚在混合過程中是其基本難點，解決該難點的在于選擇合適的制備方法。制備聚合物基導熱復合材料的方法雖然多中多樣，但是最為常見的有粉末法、熔融法和溶液法。不同的制備方法對填料在基體樹脂中的分散性好壞有著不同的影響，正因如此制備方法對復合材料的熱導率也有很大的影響。

研究表明粉末法優于熔融法優于溶液法。同時一系列的實驗表明，組分間的分散方式對復合材料的導熱系數有很大影響。在填充量比較低時，兩種制備方法獲得的復合材料的導熱系數接近；但是在填充含量比較高的時候，用粉末法制備的HDPE/BN 復合材料的熱導率就要比用熔融共混法制備的HDPE/BN 復合材料的熱導率高很多。而在粉末法中，氮化硼粒子環繞在基體樹脂周圍，填料能夠互相連接形成導熱網鏈，但在熔融共混法中，氮化硼粒子則均勻分散在HDPE 中，粒子幾乎完全被HDPE 基體樹脂所包覆，粒子無法互相接觸，因此導熱系數較低。

5.結語

在電子、信息產業高度發達的現代社會，電子設備得到廣泛應用，而電子設備的材料性能已成為其發展的主要瓶頸。特別是對尺寸進一步微細化的超大規模集成電路、納米電子元件。高分子材料具有質輕、易加工、絕緣和耐腐蝕一系列優秀的特點。由此可知在目前聚合物基導熱絕緣高分子復合材料在越來越多的領域發揮著越來越重要的作用，勢必會為電氣設備的發展做出更多的貢獻。

基金項目：國網科技項目：輸變電設備雜化復合功能材料開發及其特性試驗技術研究。