導熱填料在絕緣高分子材料中的應用

樂碧蘭 季慧

摘 要：按材料制備工藝將導熱絕緣高分子材料區分大致可分為本體型導熱絕緣高分子材料和填充型導熱絕緣高分子材料。本體型導熱絕緣高分子是在材料合成及成型加工過程中，通過改變材料分子和鏈節結構獲得特殊物理結構，從而獲得導熱性能；填充型導熱絕緣高分子材料是在普通高分子中加入導熱絕緣填料，通過一定方式復合而獲得導熱性能。本文就導熱填料在絕緣高分子材料中的應用進行分析。

關鍵詞：導熱填充；高分子材料；應用

引言

在聚合物中填充高導熱性的填料，是制備導熱絕緣高分子材料比較常用的方法。目前，國外高導熱絕緣高分子材料仍以填充型為主，即將導熱填料填充到有特定要求的絕緣樹脂材料中，從而提高絕緣系統的導熱性能。

一、導熱絕緣高分子復合材料中填料種類

金屬填料的導熱，必須要通過電子的運動，由于填料種類不同，各種類型的的導熱原理也不一樣，聲子是金屬填料進行導熱的主要工具，結合基團及鄰近原子的振動，決定熱能的擴散速率。非金屬晶體和晶體非金屬是非金屬的兩大類；金屬的熱導率比晶體非金屬高。對于強共價鍵結合材料，在晶體晶格中進行傳熱，通常很有效，特別是溫度非常低時，材料的熱導率比較好，但是，如果溫度升高，晶格的抗熱流性，會因為熱運動而增加，導致熱導率降低。

二、導熱填料的分類與應用

2.1氧化物導熱填料的應用

以氧化物為主的導熱填料主要包括了以Al2O3（氧化鋁）、MgO（氧化鎂）、和ZnO（氧化鋅）等，由于氧化物導熱填料具有優越的導熱性能和良好的電絕緣性，因此也常被用于絕緣高分子導熱材料中。以針狀Al2O3為例，雖然其原料的價格較低，但是由于其體積小因此填充量較少，因此在以液體硅膠為主的絕緣高分子材料中，一般針狀氧化鋁的填充量基本固定在300份左右，使得其填充后對高分子材料的導熱率提升受到較大的限制；另一方面，球狀Al2O3雖然填充量較大且導熱性能較高，但其填充的價格和生產成本較高，因此也限制了絕緣高分子材料的導熱性能。現代高分子技術通過將氮化硼與氧化鋁結合，使其共同作為絕緣高分子材料的導熱填料。將上述方法應用到絕緣高分子材料的導熱填充過程中，在保證了相關設備具有良好導電性能的同時，大幅度地提高了絕緣高分子材料的導熱率，使得設備的散熱效果明顯提升，同時，對其原料的生產和加工過程的成本也要低于單一的以Al2O3為導熱填料的高分子絕緣材料的生產成本。

2.2氮化物導熱填料的應用

以氮化物作為導熱填料的絕緣高分子材料具有導熱性能高、電絕緣性能好以及內高溫等優點，因此被廣泛應用與絕緣高分子材料中。以氮化鋁（AlN）為例，由于其是以AlN4的正四面體為單位材料結構的共價化合物，因此氮化鋁具有較高的導熱性能，通過在環氧樹脂中填入氮化鋁，可以使大幅度提高填充型環氧樹脂導熱材料的耐熱性和應力性，且氮化鋁加入后，對其導電性能的影響微乎其微，有效地提高了相關設備的散熱性。但在實際生產和應用過程中，由于原料的價格比較昂貴，且AlN在受潮后易與水發生反應產生氫氧化鋁，導致電路中斷，從而降低設備的導熱性能，因此在進行以氮化物作為絕緣高分子材料的導熱填料時，需要根據具體的設備情況進行綜合性的考慮。

2.3碳化物導熱填料的應用

近年來，以碳化物為導熱填料的絕緣高分子材料的應用越來越廣泛，其中尤以以碳化硅和碳化硼的應用最為常見。以SiC 為例，由于其是一種共價鍵相對較強的化合物，且一般以六方晶體形態存在，結構類似于金剛石，因此具有強度大、耐高溫、抗腐蝕和導熱性能好及熱穩定度高等優點。通過將碳化硅最為導熱填料應用到微電子的封裝材料中可以大幅度提高相關設備的散熱率并提升設備的使用壽命。以碳化物最導熱填料的缺點是在進行材料合成的過程中，碳和石墨難以去除，降低了產品的純度，同時較高的電導率限制了其在絕緣性能要求較高材料中的應用。

三、填料對熱導率影響的因素

3.1填材料徑大小的影響

體系熱導率，受基體樹脂粉的末料徑及填料徑的大小影響。超細微化對導熱填料處理以后，導熱填料導熱的性能可以有效地提升，導熱進料越細，在絕緣的高分子材料中，該導熱填料相互接觸和作用以及分散，就會越有利，從而使熱導率得以有效地提升。在高填充量下，熱導率受粒徑大小的影響比較小，基體樹脂內部在基體樹脂比較高的狀態下，導熱的網鏈已經形成了，可以將粒徑大小所產行的影響忽視。

3.2填料微觀表面形態的影響

不同微觀的填料，微觀的形態及幾何結構也不相同，對材料的影響也很大。在基體的樹脂中，形成的導熱網鏈和填料分布的狀態，都會嚴重地影響體系的熱導率。片狀和粒狀以及纖維等是主要的導熱填料，在材料中分散形狀之間，若導熱填料將鏈狀或者網狀的導熱網絡，相互結合而形成，適合絕緣高分子材料熱導率的提升的首選材料，就是導熱填料。

3.3填料表面處理的影響

處理填料表面對于基體界面聲子和填料的散射，界面間熱阻的降低，對熱導率的提升具有一定的影響。有機樹脂基本的界面與無機粒子的相容性非常差，基體的粒子容易聚集而成團，很難分散。因此，對于導熱粒子的表面必須要進行處理，致使兩者界面的結合情況，得以有效地改善。填料表面的潤濕程序對填料分散的狀態有一定的影響，同時，還會影響到填料與基體粘結的程度，以及基體與填料界面熱障的大小，特別是納米填料，如果對于納米填料表面不能進行有效地改性，就不能夠在高分子基體中，以納米的尺寸進行分散。

3.4填料添加量的影響

填料的用量比較低時，利用低熱導率和高熱導率，對于高分子材料熱導率的影響比較小，主要是填料的用量比較少，基體完全將其包裹在內，熱阻比較大，基體樹脂熱導率決定熱導率，因此，填料的用量必須要達到一定的程度，才能夠影響到材料熱導率。因為導熱填料填充量太小時，導熱填料之間相互的作用和真正的接觸都沒有形成，對于提升導熱的性能根本沒有作用。導熱填料填充量必須要達到臨界值時，導熱填料之間才能夠產生相互的作用，體系中的鏈狀導熱網絡及類似的網狀，才能夠形成，從而使導熱填料的導熱系數提以提升。

四、導熱絕緣高分子材料綜合性能提升方法

由上述對不同導熱填料的分析可知，每種導熱調料都有其自身的優勢和不足，因此在進行導熱填料的選擇時，需要將導熱性、導電性、生產流程和生產成本等因素進行綜合考慮，從而選出最合理的導熱填充方式。

在生產中充分利用導熱填料和絕緣高分子材料不同的特點，通過合理選擇表面處理劑對兩種材料進行處理，從而提高二者的相容性，在提高材料導熱性的同時，有效地避免了因填料的填充造成的材料力學性下降的情況發生。另一方面，在對導熱率具有較高要求的絕緣高分子材料進行填充時，通過選擇導熱系數高的填料，綜合填充價合理地填充導熱原料，從而增加相關絕緣高分子材料的導熱性。最后，在進行絕緣高分子材料的成型工作中，由于溫度、加工時間和壓力等方面均會影響高分子材料的綜合性能，因此，在進行生產時，需要通過對填充方法進行綜合性考慮，從而是高分子材料的導熱性能達到最大化。

五、結束語

綜上所述，電氣和機械以及電子等都在快速地發展，對于導熱絕緣的高分子材料要求也增高了，未來發展的方向，就是導熱絕緣高分子材料，不但要熱導率高，綜合性也要好。

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