导热高分子材料的研究与应用

梁晋嘉

摘 要 介绍了金属材料、非金属材料、高分子材料的导热机理，以及导热填料搀杂高分子材料的导热理论模型。综述了各种高导热填料的研究进展和它们在导热高分子材料中的应用情况。最后提出了导热高分子材料的研究方向。

关键词 导热高分子材料 导热机理 导热填料 应用

中图分类号：TB332 文献标识码：A

1导热高分子材料的研究概况

绝大多数高分子材料本身属于绝热性材料。要想赋予高分子材料优良的导热性，主要是通过共混 （熔体共混和溶液共混等） 方法在高分子材料中填充导热性能好的填料。这样得到的导热材料有价格低廉、易加工成型等优点。

1.1导热塑料

对于导热塑料的研究和应用很多，可以对其进行简单的分类，按照基体材料种类可以分为热塑性导热树脂和热固性导热树脂；按填充粒子的种类可分为：金属填充型、金属氧化物填充型、金属氮化物填充型、无机非金属填充型、纤维填充型导热塑料；也可以按照导热塑料的某一种性质来划分，比如根据其电绝缘性能可以分为绝缘型导热塑料和非绝缘型导热塑料。

（1）非绝缘型导热塑料。由于塑料本身具有绝缘性，因此对于绝大多数导热塑料的电绝缘性能，最终是由填充粒子的绝缘性能决定的。用于非绝缘型导热塑料的填料常常是金属粉、石墨、炭黑、碳纤维等，这类填料的特点是具有很好的导热性，能够容易地使材料得到高的导热性能，但是同时也使得材料的绝缘性能下降甚至成为导电材料。因此在材料的工作环境对于电绝缘性要求不高的情况下，都可以应用上述填料。

（2）绝缘型导热塑料。用于这类导热塑料的填料主要包括：金属氧化物如BeO，MgO，Al2O3，CaO，NiO；金属氮化物如AlN，BN等；碳化物如SiC，B4 C3等，它们也有不错的导热性，而且同金属粉相比有优异的电绝缘性，因此它们能保证最终制品具有良好的电绝缘性，这在电子电器工业中是至关重要的。 当然也可以用在对导电性能没有特殊要求的其他领域。

1.2导热橡胶

用含有 Al2O3的硅橡胶可以制作电子元器件的导热层。当Al2O3 的量是聚合物的3倍时，材料的导热系数可达2.72W/（m·K）。在硅橡胶中大量填充Al2O3，还可同时获得高导热性和阻燃性。在硅橡胶中填加金属粉或氮化物（可从铝粉、BN、AlN中选择）和经硬脂酸表面处理的Al（OH）3粉末，可制备具有高导热性和良好阻燃性的硅橡胶，阻燃级别为V-0（UL-94），导热系数为1.09W/（m·K）。

1.3导热胶粘剂

导热胶粘剂多用于绝缘性场合，因为在电子电气工业发展中，电子电气材料领域急需导热绝缘材料，如半导体管与散热器的粘合、管心的保护、管壳的密封，整流器、热敏电阻器的导热绝缘，微包装中多层板的导热绝缘组装等需要不同工艺性能的导热绝缘胶。

2导热高分子导热机理

晶体的导热机理是排列整齐的晶粒的热振动，通常用声子的概念来描述。对于金属晶体，自由电子的运动对导热起主要作用，声子所作的贡献大多情况下可以忽略不计。非晶体的导热机理是依靠无规律排列的分子或原子，围绕固定的位置的热振动，将能量依次传给相邻的分子或原子。由于非晶体可看作晶粒极细的晶体，因此也可用声子的概念来分析其导热。一般高分子材料本身的导热性较差，是热的不良导体，只有通过填充高导热性的填料增加材料的导热性能。但填料的加入往往降低了材料的强度性能。填料自身的导热性能及其在基体中的分布形式决定了整体材料的导热性能。

导热高分子复合材料的导热性能最终是由高分子基体和高导热填充物综合作用决定的。作为导热高分子复合材料的填充物无论是以粒子还是以纤维形式，其自身的导热性都远大于基体材料的导热性，当填充量比较小时，彼此能够均匀的分散在体系中，它们之间没有接触和相互作用。

3导热高分子材料的应用

3.1石墨导热材料

换热器是化工、制药、食品、能源等工业部门广泛应用的通用设备。碳钢和不锈钢导热性很好，然而在特定的情况下，特别是有腐蚀性化学物质时，则不能适应要求。高分子材料虽然化学稳定性优异，但热导率较低。

3.2导热绝缘胶粘剂

在当代电子技术革命的浪潮中，电子电气材料领域急需导热绝缘材料。如半导体管陶瓷基片与铜座的粘合、管心的保护、管壳的密封，整流器、热敏电阻器的导热绝缘，微包装中多层板的导热绝缘组装等需要不同工艺性能的导热绝缘胶。

3.3导热节能胶粘剂

化工部北京化工研究院研制成功两种TM型胶粘剂。其TM-型是无机型导热胶粘剂，其主要成分为鳞片状石墨及硅酸盐类无机胶粘剂，该种胶粘剂热导率大传热效率高，适用温度范围广（-190～370℃），TM-Ⅱ型是有机型导热胶粘剂，是以高纯度结晶型石墨为导热材料，以有机高分子物质为粘接剂，并加入其它适量助剂而制成的一种单组分导热材料。该种导热胶粘剂化学稳定性好，强度高，耐水性好，贮存及施工方便，可在-190～190℃范围使用。

4结论

在制备导热高分子材料中，应根据产品的使用要求选择适当的树脂、填料，并对填料进行预处理以改善填料和树脂的界面性能。导热材料的出现既扩大了高分子材料的应用范围，又拓宽了传热材料的研究领域。目前主要研究方向为：

（1）对现有导热填料进行改性，改善其综合性能；

（2）研究发现新型导热填料，如高取向填料、立体网状填料；

（3）探索本征导热高分子材料的可能性，并使之达到实用的要求，这一点将是导热材料研究最富有挑战性的领域。

参考文献

[1] 杜茂平，魏伯荣，宫大军，宋霖.导热绝缘聚乙烯材料的研究[J].塑料，2007（06）.

[2] 郝晓静，党智敏，徐海萍.高导热率及低介电常数的AlN/PI纳米复合薄膜研究[J].功能材料，2007（10）.