對(duì)高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料的制備與性能的分析

張樹(shù)華

（武漢紡織大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 湖北 武漢 430200）

對(duì)高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料的制備與性能的分析

張樹(shù)華

（武漢紡織大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 湖北 武漢 430200）

電子封裝與大功率電子設(shè)備等領(lǐng)域?qū)Ω邔?dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料有著較大的市場(chǎng)需求。通常來(lái)說(shuō)，高導(dǎo)熱聚合物通過(guò)在分子基體中均勻分散高含量的導(dǎo)熱填料而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱的目的，而高填料含量將極大影響復(fù)合材料的性能并提高其成本，較難滿足工業(yè)需求。因此，本文對(duì)高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料的制備與性能加以分析，摸索出低填量的復(fù)合材料，以供借鑒。

高導(dǎo)熱；聚合物基復(fù)合材料；制備方法；性能影響

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，當(dāng)前我國(guó)電子設(shè)備逐漸朝著集成化與微型化的方向發(fā)展，人民對(duì)電子設(shè)備的需求日益提高，解決大功率的集成電路的散熱問(wèn)題逐漸成為電子設(shè)備技術(shù)開(kāi)發(fā)人員所面臨的又一重要挑戰(zhàn)。基于此，電子設(shè)備領(lǐng)域應(yīng)設(shè)法提高不同類型高導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。

2 不同類型的高導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備

2.1 石墨烯

石墨烯具有極強(qiáng)的導(dǎo)熱性(～5000W//(m?K))與機(jī)械強(qiáng)度，其共軛分子面結(jié)構(gòu)可為聲子傳導(dǎo)提供理想的二維通道。微米級(jí)石墨烯因其具有較大的表面積，增加了與聚合物基體的接觸。基于此，人們將石墨烯視為實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱的極佳填料，因此受到研究人員的廣泛關(guān)注。

因石墨烯片網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種可在低填量的條件下，明顯提高基體導(dǎo)熱的材料，因此通過(guò)構(gòu)造氧化鈰石墨液晶，經(jīng)過(guò)定向冷凍與高溫退火等方法制備出垂直對(duì)齊、相互聯(lián)通的石墨烯片網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，令該種材料作為環(huán)氧樹(shù)脂基體的填料。在石墨烯含量大約為1vol%時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱性大約達(dá)到了2W//(m?K)，較純環(huán)氧樹(shù)脂提高了10倍以上。

2.2 氮化硼

氮化硼的導(dǎo)熱性能在常溫下可達(dá)400W//(m?K)，與銅、銀的導(dǎo)熱性相近，另外，氮化硼具有較佳的絕緣性能，在導(dǎo)熱材料中具有較大的發(fā)展前景。例如，利用可控極性冷凍氮化硼納米片的懸浮液，先制備出3D-BNNS凝膠，而后用火燒結(jié)凝膠。最后在三維骨架中倒入環(huán)氧樹(shù)脂，并將制備出的材料加以凝固，最終制備出的3D-BNNS復(fù)合材料具有了極大的導(dǎo)熱效果，并在其體積分?jǐn)?shù)到達(dá)10%時(shí)，平行與垂直于結(jié)冰方向的導(dǎo)熱率分別達(dá)到2.8W//(m?K)與2.4W//(m?K)，同時(shí)填料的含量相同的情況下，導(dǎo)熱性能大大領(lǐng)先于無(wú)規(guī)則分散的3D-BNNS復(fù)合材料。

2.3 碳納米管

SWCNTs（單壁碳納米管）具有超強(qiáng)的導(dǎo)熱性能，MWCNTs（多壁碳納米管）在外壁損壞的情況下并不會(huì)對(duì)內(nèi)壁的導(dǎo)熱性造成影響，因此，納米管作為高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料具有較大的發(fā)展?jié)摿Α＠纾\(yùn)用乳膠技術(shù)將多壁碳納米管吸附在微米聚合物的顆粒上，而后在熱壓條件下制作出含多壁碳納米管的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。結(jié)果經(jīng)熱壓制成的復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能高達(dá)17W/(m?K)。

2.4 金屬填料

金屬粒子填充物既可以有效提升基體的導(dǎo)熱能力，也可以有效提高基體的發(fā)電能力。目前的金屬填料主要選取金屬納米線，納米線以其具有較高的縱橫比與結(jié)合性能的特性，成為獲取三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的必要所在。通過(guò)某種表面修飾的方法可制備出分散性能較強(qiáng)的單晶銅納米管，其平均直徑約80納米，長(zhǎng)度在幾十至幾百微米之間。將上文的納米線應(yīng)用于基體填料，銅納米線含量約為1vol%時(shí)，銅納米線的熱導(dǎo)性能達(dá)到約2.5W/(m?K)，與基體相比，其熱導(dǎo)性能提高了10倍以上[1]。

3 高導(dǎo)熱復(fù)合材料導(dǎo)熱性能影響因素

3.1 填料種類

填料的種類不同，其導(dǎo)熱性能也有所不同，聚合物的常用填料主要有無(wú)機(jī)導(dǎo)熱填料、炭基材料填料、金屬粒子填料。其中無(wú)機(jī)導(dǎo)熱填料主要包括AlN、Al2O3與Si3N4，炭基材料填料主要包括碳納米管、炭纖維與石墨烯，金屬粒子填料主要包括Ag、Cu與Al。填料被應(yīng)用的側(cè)重點(diǎn)也有所不同，其中，無(wú)機(jī)導(dǎo)熱填料以用于制備絕緣導(dǎo)熱聚合材料為主，而金屬粒子、炭基材料以用于對(duì)絕緣性并無(wú)要求的聚合材料領(lǐng)域。而目前階段，我國(guó)用于低填充高導(dǎo)熱聚合材料的填料以炭基材料填料與金屬粒子填料為主。

3.2 填料形貌

填料的形貌影響著基體導(dǎo)熱性能的提升，其影響也被電子集成設(shè)備領(lǐng)域的技術(shù)開(kāi)發(fā)人員所廣泛研究，尤其是對(duì)填料的不規(guī)則分布情況的研究尤為突出。填料的形貌根據(jù)其自身性質(zhì)劃分，可分為零維、一維、二維、三維等不同類型。同時(shí)，填料的形貌根據(jù)不同的加工工藝又可分為自帶氣象的一維結(jié)構(gòu)、二維結(jié)構(gòu)、三維連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)及無(wú)規(guī)則分布的結(jié)構(gòu)。而在當(dāng)前的研究中，則以三維連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)為主。

3.3 填料取向

不同導(dǎo)熱填料自身帶有各異的導(dǎo)熱能力。該類填料一般為非球形的填料，如：石墨烯、碳納米管等，該類型填料可通過(guò)高分子基體令其保持一定的取向，從而獲得極高的導(dǎo)熱能力，但其垂直方向的導(dǎo)熱性能較低，尤其是在填充量較低的情況下建立的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中不同取向的導(dǎo)熱能力具有較為明顯的差異。例如，通過(guò)將單向冰凍下的自組裝冰模板方法與環(huán)氧是指滲入法相結(jié)合，制備出三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)氮化硼/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。該方法制備出的材料較直接放入冰箱中冰凍得來(lái)的無(wú)規(guī)則分布的復(fù)合材料在取向在平行方向上的導(dǎo)熱上的差距十分明顯，是后者的2.5倍。

3.4 填料表面處理

為減小材料表面的熱阻礙并提高材料的導(dǎo)熱性能，需要技術(shù)人員對(duì)填料的表面進(jìn)行細(xì)致的處理。填料的表面改性有兩種方法，分別為共價(jià)鍵連接與非共價(jià)鍵連接。在目前階段的研究中所遇到的重要問(wèn)題是填料與分子基體間的熱阻較高。為減小熱阻，技術(shù)人員將問(wèn)題解決的重點(diǎn)放在填料的表面改性上，通過(guò)填料改性，加強(qiáng)填料與聚合物的互容。但實(shí)際操作中，由于改性不全面或填料經(jīng)改性導(dǎo)熱能力下降，使得基體材料的導(dǎo)熱未能達(dá)到理想效果[2]。

4 結(jié)論

總之，對(duì)高導(dǎo)熱材料的研究是我國(guó)電子集成設(shè)備領(lǐng)域的一項(xiàng)重要內(nèi)容，但就目前來(lái)開(kāi)，主要應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)低造價(jià)、高導(dǎo)熱性的填料的開(kāi)發(fā)與利用，不斷減少限制因素的影響并摸索制備的創(chuàng)新方法，促進(jìn)高導(dǎo)熱材料的發(fā)展。

[1]吳宇明，虞錦洪，曹勇.高導(dǎo)熱低填量聚合物基復(fù)合材料研究進(jìn)展[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2017，23：1-9.

[2]趙維維，傅仁利，顧席光.聚合物基復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)與導(dǎo)熱性能[J].材料導(dǎo)報(bào)，2013，2705：76-79+86.

TB33 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1009-5624（2018）01-0199-02

張樹(shù)華（1997-），男，漢，湖北省武漢市人，學(xué)生，在讀本科。研究方向：復(fù)合材料專業(yè)的研究性學(xué)術(shù)論文。