導(dǎo)熱塑料填料種類有哪些？其效果影響因素又有哪些？

導(dǎo)熱塑料填料種類有哪些？其效果影響因素又有哪些？

導(dǎo)熱塑料是指具有較高導(dǎo)熱系數(shù)的樹脂材料或樹脂復(fù)合材料。在一些易被腐蝕的工作環(huán)境中，導(dǎo)熱塑料具有金屬材料不可比擬的工作壽命。

但是樹脂材料本身的導(dǎo)熱性并不理想，需要在其中添加高導(dǎo)熱填料來改善材料的導(dǎo)熱系數(shù)。20世紀(jì)末，國(guó)外專家常通過在樹脂中添加金屬粉末來提高材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

應(yīng)用于填充型導(dǎo)熱塑料的導(dǎo)熱填料按照其導(dǎo)電性可分為絕緣導(dǎo)熱填料及非絕緣導(dǎo)熱填料。其中，絕緣導(dǎo)熱填料主要包括氧化物、氮化物和碳化物填料；而非絕緣導(dǎo)熱填料主要包括各類金屬粉末及石墨、炭黑等。

一

填料種類

1.氮化物

氮化物通常具有導(dǎo)熱系數(shù)高、耐高溫、電絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)，可在不降低材料電絕緣性能的情況下提高塑料的導(dǎo)熱系數(shù)，但其缺點(diǎn)是價(jià)格偏高，限制了它在塑料中的廣泛應(yīng)用。被用做導(dǎo)熱填料的氮化物主要有氮化硼（BN）、氮化硅（Si₃N₄）以及氮化鋁（AlN）等，它們的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)200～300 W／（m·K）。

2.碳化物

碳化硅可分為六方晶系（α-SiC）和立方晶系（β-SiC），其導(dǎo)熱系數(shù)為80～120 W／（m·K），是性能優(yōu)良的導(dǎo)熱填料，同時(shí)還具有耐高溫、高模量、抗氧化性好等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于微電子封裝材料中。碳化硼（B₄C）也是一種耐高溫材料，具有極高的硬度與導(dǎo)熱系數(shù)，但昂貴的價(jià)格導(dǎo)致其在導(dǎo)熱塑料中的應(yīng)用較少。

3.氧化物

氧化物填料主要包括氧化鋁（Al₂O₃）、氧化鋅（ZnO）及氧化鎂（MgO）等，雖然它們的導(dǎo)熱系數(shù)不如氮化物與碳化物的高，一般在30～50 W／（m·K）之間，但也遠(yuǎn)高于聚合物基體，并且電絕緣性能優(yōu)良，特別是其來源廣泛，價(jià)格低廉，具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，是制備絕緣導(dǎo)熱塑料的常用填料。

4.金屬粉末

通常金屬粉末都具有極高的導(dǎo)熱系數(shù)，可達(dá)100～400W／（m·K），是良好的導(dǎo)熱填料，但由于金屬系填料的傳熱方式為電子導(dǎo)熱，電絕緣性能差，因而限制了其在電絕緣性要求嚴(yán)格的電子工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

5.新型碳材料

石墨、碳納米管、金剛石等新型碳材料也具有極高的導(dǎo)熱系數(shù)，碳納米管與金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)1000W／（m·K）以上，但由于其成本極其昂貴，還未被大規(guī)模使用，并且碳系填料的加入通常會(huì)使制品的顏色變黑，在淺色制品應(yīng)用中會(huì)受到限制。

二

導(dǎo)熱效果影響因素分析

填料填充量的影響

導(dǎo)熱填料的填充量與復(fù)合材料的導(dǎo)熱性密切相關(guān)。當(dāng)填料含量較低時(shí)，無法形成有效的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，對(duì)材料導(dǎo)熱性的改善效果不明顯。隨著填料含量的增加，材料內(nèi)部開始形成并完善導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，從而大幅提高材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

填料形狀尺寸的影響

導(dǎo)熱填料的形狀影響導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成，從而影響材料的導(dǎo)熱性。當(dāng)只有單一填料時(shí)，提高填料的長(zhǎng)徑比可以促進(jìn)填料之間的相互接觸，有利于形成連續(xù)的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。此外，按一定比例同時(shí)添加長(zhǎng)徑比大的和長(zhǎng)徑比小的導(dǎo)熱填料比單一填料更能提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)；向大粒徑填料中復(fù)配少量小粒徑同種或異種填料也可以較好地提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

導(dǎo)熱填料表面處理

導(dǎo)熱填料與樹脂基體間的界面相容性很差，這不僅影響材料的導(dǎo)熱性能，還影響材料的力學(xué)性能。用偶聯(lián)劑處理不僅可以有效地去除兩者間的界面缺陷，還可以改善填料的分布狀況，從而提高材料的導(dǎo)熱系數(shù)和力學(xué)性能。但是，過量的偶聯(lián)劑也會(huì)在導(dǎo)熱填料和樹脂基體間形成“壁壘”，阻礙熱量傳遞，從而降低材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

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