高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料研究

余陽洋 汪迪良 顧鋒雷 劉金鳳 王雨朦 劉文峰

摘要：隨著我國(guó)電力企業(yè)的發(fā)展，以及電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，其中設(shè)備的發(fā)熱問題的也越來越迫切。而為了能夠有效緩解或解決這一問題，進(jìn)行有效的散熱便成為了主要研究方向。而聚合物憑借著較低的成本以及優(yōu)秀的性能而成為了學(xué)者們下主要研究的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：高導(dǎo)熱;聚合物基;復(fù)合材料

引言：現(xiàn)階段，電子及電力設(shè)備的功率越來越大，而設(shè)備的尺寸卻不斷的在減小，在特高壓交流和直流系統(tǒng)中這種情況尤為明顯。而這一情況也導(dǎo)致了設(shè)備的散熱性能出現(xiàn)了嚴(yán)重的缺陷，對(duì)設(shè)備壽命產(chǎn)生了不利的影響。而隨著高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料的運(yùn)用則能夠很好地提高材料導(dǎo)熱性，解決了設(shè)備散熱問題。新型材料的開發(fā)和制作技術(shù)的發(fā)展也都對(duì)復(fù)合材料的微觀設(shè)計(jì)開發(fā)商提供了參考價(jià)值。

一、聚合物材料的導(dǎo)熱性能

從宏觀的角度看，熱傳遞效果是通過微觀粒子的活動(dòng)所產(chǎn)生，而材料的微觀結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)熱性能也存在差異。分子與分子的相互作用也是熱量進(jìn)行傳遞的主要途徑，熱量在固態(tài)材料中的傳遞則是依靠電子和光子等傳熱介質(zhì)來做到的，固體物質(zhì)的不同，其導(dǎo)熱介質(zhì)也存在差異。其中，金屬的導(dǎo)熱介質(zhì)通常為電子，并且是自由電子，他們不會(huì)受到約束，能夠做到相互之間自由碰撞，以此來做到對(duì)熱量的高效傳遞。在無機(jī)非金屬以及絕緣材料中，很少會(huì)有自由電子，而電子傳熱則不能解釋其中的熱傳遞效果，而其中的導(dǎo)熱效果其實(shí)是通過晶格振動(dòng)來做到的。在量子理論中，將晶格振動(dòng)進(jìn)行量子化，運(yùn)用聲子概念，以此來解釋這兩種材料內(nèi)部的導(dǎo)熱過程，也就是聲子熱擴(kuò)散活動(dòng)。材料的散熱效果直接決定了其導(dǎo)熱性能，而物質(zhì)導(dǎo)熱率的計(jì)算一般情況下都是以德拜方程來運(yùn)算。

在該方程中， 表示材料的體積比熱容，而 則代表聲子運(yùn)動(dòng)效率， 為聲子的平均運(yùn)動(dòng)行程。

通過該方程可以得出結(jié)論，材料的導(dǎo)熱性主要被聲子的平均自由行程所左右。無機(jī)非金屬材料因?yàn)槠鋬?nèi)部的晶體構(gòu)造有著比較高的聲子平均自由行程，所以通常導(dǎo)熱性能較高。多數(shù)聚合物材料的分子結(jié)晶程度普遍較低，并且晶體的結(jié)構(gòu)沒有規(guī)律可循，非晶區(qū)的存在以及材料制作中的不足都可能會(huì)致使聲子的散射被影響，進(jìn)而使材料內(nèi)部的聲子熱擴(kuò)散效應(yīng)被約束，導(dǎo)熱性較差。

二、高導(dǎo)熱無機(jī)填料的研究狀況

高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料的導(dǎo)熱效果的提升關(guān)鍵就在于其中填料的選取，一些金屬顆粒雖說有著較高的熱導(dǎo)率而得到了普遍的運(yùn)用，不過這些填料在提高熱導(dǎo)性的時(shí)候也會(huì)影響聚合物的電氣絕緣效果。比如，會(huì)導(dǎo)致電導(dǎo)率和介電常數(shù)急速上升，從而無法運(yùn)用到聚合物基復(fù)合材料中。所以，絕緣領(lǐng)域普遍重視的是擁有較高本證熱導(dǎo)率并且還有著優(yōu)秀絕緣效果的無機(jī)顆粒。表1則列出了通常用到的無機(jī)填料的導(dǎo)熱率。

三、高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

（一）高導(dǎo)熱顆粒的選擇

像是氮化硼納米管和氮化硼納米片等高導(dǎo)熱填料通常都有著不同的導(dǎo)熱效果，在某個(gè)方向上的導(dǎo)熱性較強(qiáng)。在需要導(dǎo)熱性具備一定方向性時(shí)，可以將填料進(jìn)行定向分布，在需要的方向中復(fù)合材料能夠具備較為優(yōu)秀地導(dǎo)熱性。當(dāng)前運(yùn)用在高導(dǎo)熱聚合物材料內(nèi)填料的選擇的方法通常分為機(jī)械剪切或是外加電場(chǎng)等措施。

（二）混合填充

把類型和大小都不一樣的導(dǎo)熱填料混合填充可以更好地運(yùn)用材料的性能，以便于得到性能更好的復(fù)合材料。混合式填充不但可以促進(jìn)粒子與粒子之間產(chǎn)生更多的傳熱通路，并且還可以降低材料的顆粒填充量。將粒徑顆粒不同的材料通過填料的規(guī)格進(jìn)行配合，以此來提高顆粒之間的導(dǎo)熱能力。把微納米混合氮化硼填充到聚乙烯中，可以發(fā)現(xiàn)，同樣的含量情況下，混合填充與微米填充對(duì)比擁有著更優(yōu)秀的導(dǎo)熱效果。這是由于復(fù)合材料內(nèi)部微米結(jié)構(gòu)能夠當(dāng)作導(dǎo)熱體系的主結(jié)構(gòu)，而納米材料填補(bǔ)微米與微米之間的間隙，以此來產(chǎn)生導(dǎo)熱鏈。

形態(tài)和種類不同的顆粒之間的混合填充能夠最大化發(fā)揮其協(xié)調(diào)效果，整體控制復(fù)合材料的各個(gè)能力。通過研究可知，通過運(yùn)用體系分?jǐn)?shù)約28%-32%的氮化硼和體積分?jǐn)?shù)2%左右的多壁碳納米管填充環(huán)氧樹脂，此時(shí)復(fù)合材料的導(dǎo)熱率大約是平常的約745%。將氮化硼納米管和氮化硼納米片填料混合填入環(huán)氧樹脂中，可以顯著地提高其導(dǎo)熱效果和電絕緣效果。混合填充料的使用，讓類型和效果不同的顆粒能夠進(jìn)行同時(shí)作用，整體上提高了復(fù)合材料的功能性，不過如何選擇更為合理的混合材料還需要進(jìn)行不斷地探索與實(shí)驗(yàn)。

（三）雙逾滲結(jié)構(gòu)

作為最初便運(yùn)用在導(dǎo)熱材料設(shè)計(jì)過程中的材料，雙逾滲結(jié)構(gòu)可以有效地減少材料整體填充顆粒含量。運(yùn)用在高導(dǎo)熱復(fù)合材料中的雙逾滲結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念大體上和導(dǎo)電材料的設(shè)計(jì)一致，把填充材料加入到兩個(gè)不同的聚合物的共混材料中，使得粒子有選擇地分散到一個(gè)聚合物內(nèi)，進(jìn)而做到低含量情況下的高性能材料。

結(jié)束語：本文主要就高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合電介質(zhì)在微觀情況下的導(dǎo)熱性進(jìn)行分析，并對(duì)影響其基體以及填充物的一些問題進(jìn)行研究，重點(diǎn)詳解了高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合電介質(zhì)的微觀構(gòu)成。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜伯學(xué)，孔曉曉，肖萌，李進(jìn)，錢子明. 高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料研究進(jìn)展[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2018，33（14）：3149-3159.

[2]吳廣力，焦劍，鄒亮，劉攀博. 高導(dǎo)熱聚合物基納米復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)膠粘劑，2011，20（12）：55-60.