第2章　導熱塑料的配方與應用

2.1　概述

導熱塑料主要是指基材為通用塑料或工程塑料，氧化物、氮化物或碳為填料的復合材料。根據填料種類的不同，可以將導熱塑料分為絕緣與非絕緣導熱塑料兩種。通常，塑料的熱導率為0.2W/（m·K）左右，而導熱塑料的熱導率為1～20W/（m·K）。材料的傳熱速度與熱導率有關，而材料的散熱速度與散熱器的形狀、面積、對流及熱輻射能力有關。導熱塑料的熱導率相比金屬較低，但其熱輻射能力較強。因此，導熱塑料與金屬材料的散熱能力基本相同。表2-1是幾種不同材料的熱輻射系數。

以往的導熱散熱材料都集中在金屬材料的運用上，但金屬材料在耐腐蝕性能和加工成型性能上都不及高分子材料有優勢，而且許多需要導熱材料的領域里對材料制品的生產周期和效率、使用壽命、精密加工、設計自由度都提出很高要求。在電子器件追求小型化、高頻化、輕量化的今天，高分子導熱聚合物借此成為導熱材料領域的新秀，其應用領域也逐漸擴展，如換熱工程、電子電氣、摩擦材料、電磁屏蔽、汽車制造業等。

由于結構和散熱機理的原因，高分子材料本身的熱導率很低，散熱效果差，表2-2為幾種不同高分子材料在室溫下（25℃）的熱導率。所以要想使高分子材料在散熱領域得到廣泛運用，必須通過高分子改性、成型加工的方法賦予高分子材料良好的導熱性能。

制備導熱高分子材料的工藝主要有兩種：本征型導熱材料和填充型導熱復合材料。第一種是本征型導熱材料，是指通過機械加工的方法使材料的分子結構發生改變，從而得到相應材料。其結晶度完整，主要通過聲子或電子導熱。例如，采用濕法紡絲的工藝制備出納米級別的PE纖維束，成型過程中在剪切、結晶、納米尺寸的微擾和限制等因素的綜合影響下，聚乙烯的分子鏈取得了高度取向，正是這種高度取向帶來的結構上的變化使得聚乙烯納米纖維具有很高的導熱性能，熱導率在室溫下達到 20～25.6W/（m·K），并且發現其熱導率隨溫度發生緩慢變化，聚乙烯納米纖維的微觀橫截面如圖2-1 所示。大部分本征導熱高分子材料的研究還處于實驗室階段，通過改變聚合物材料內部本身的結構，如采用定向拉伸的方法，使分子鏈的取向排列，聚合物高度取向化的過程工藝一般來說比較復雜和煩瑣，不利于工業化的生產，限制了本征導熱高分子的應用。但本征高分子材料的研究有利于深入了解高分子材料的內部結構和導熱機理，因此仍然具有廣闊的研究價值和發展前景。

第二種是填充型導熱復合材料，即以高分子樹脂為基體，將導熱填料加入到基體樹脂中制得的復合材料。本征型導熱復合材料由于具有高的結晶取向度，使得材料的加工難度較大。而填充型導熱復合材料的加工工藝簡單并且成本低，應用范圍較廣。根據使用填料的不同，填充型導熱塑料主要分為三類：金屬材料填充型導熱塑料、無機材料填充型導熱塑料以及導電有機物填充型導熱塑料。填充型導熱塑料的影響因素主要有樹脂基體、導熱填料和兩者之間的界面。因此，為了提高材料的熱導率，應從幾個方面改善填充型導熱塑料的熱導率。

第一，高分子材料的導熱性能較差，而某些無機填料具有良好的導熱性能，通過向高分子材料中添加導熱無機填料如BN、Al2O3、MgO等導熱填料，來改善導熱塑料的熱導率。相比碳材料和金屬材料最大的優勢是它們的絕緣性能，而在電子設備和集成化中使用的導熱材料必須具有一定的絕緣性能。所以，目前無機導熱材料在信息產業領域中工業化應用最廣。

第二，對于填充型導熱塑料，可以通過增加填料填充量、不同粒徑填料復配、添加纖維等方式，在其內部形成更多的熱通道，從而改善導熱塑料的熱導率。

第三，盡量減少基體與填料之間的表面熱阻是提高填充型導熱塑料熱導率的另一有效途徑。主要通過以下幾種方式達到上述目的。①對于同一種類的填料粒子，應盡量選擇粒徑較大的導熱填料，當填料的填充量相同時，相比小粒徑填料，大粒徑的填料擁有相對少的數量，因而可盡量減少基體與填料粒子間的熱接觸點，減小材料的界面熱阻；②對于不同種類的基體材料，應盡量選擇黏度較低的基體材料。制備過程中黏度低的樹脂可以使填料粒子間的樹脂減少，則樹脂基體產生的熱阻也會隨之減少，填料與基體之間的結合增強，減小界面熱阻；③填料粒子表面預處理。對導熱粒子表面進行改性，從而提高其潤濕性能，使其更加均勻地分布在樹脂中，減小其與樹脂界面間的熱阻。