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除了常规填料外,还有哪些特别的导热绝缘粒子?
2020年11月04日    阅读量:     新闻来源:中国橡胶网 zimite.com  |  投稿

在生产制造业中,常常都会用到与散热相关的材料,其中高分子导热材料是最常用的种类之一,包括有导热橡胶、导热塑料、导热胶粘剂等产品。不过这些高分子材料受限于自身素质,要想获得良好的导热能力,就得依靠热导率高的填料来发挥作用。


常规的导热填料之前已经介绍过很多了,比如说氮化物有AlN、BN、Si3N4,氧化物有Al2O3、MgO、ZnO、SiO2等中国橡胶网zimite.com。不过材料界那么广袤,并不仅有这几种填料才能发挥功效,下面便来给大家介绍几种更为特别的非常规导热填料,它们不仅能提高聚合物导热能力,同时还能赋予聚合物其他功能性,如高介电常数(k)、储能、磁性及力学性能等。


01

纳米金刚石


纳米金刚石(ND)具有许多优势,如优越的力、电、光和热性能,高电阻率、高击穿场强、低介电常数、低热膨胀、和聚合物有强界面作用力、生物相容性、无毒以及表面可进行多种改性修饰等,被科学家认为是一种能够满足飞速发展的电子工业对热管理的超高要求的理想热管理材料。其显微结构如图所示。

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ND的高倍显微结构


不同于金属依靠外围电子进行传热,金刚石的热量传导仅由晶格振动(即声子)完成,其原子之间极强的共价键使刚性晶格具有高振动频率,因此其德拜特征温度高达2220K。但任何晶格缺陷都会产生声子散射,从而降低热传导性,这是所有晶体材料的固有特征,因此不同种类的金刚石间性能差异很大,具体比较可看下表。


表:金刚石的导热率(W/(m·K))

金刚石种类

273K

80K

Ia

600-1000

2000-4000

IIa

2000-2200

15000

同位素纯金刚石

3500

——

多晶金刚石

~400

——


02

碳化硅SiC


碳化硅(SiC)凭借其价廉、高热导率、耐磨等优点,目前已成为国内外研究较为活跃的导热陶瓷材料。理论上SiC的热导率非常高,达270W/(m·K),因此被认为可用于改善聚合物的导热、耐磨及抗电晕性。


SiC和高的基体界面结合强度可有效降低界面热阻,改善热导率;另外在复合材料中构建取向的一维热通道可提高该方向的热导率。Gu等用KH-560处理SiC后,在表面接枝氨基-笼型聚倍半硅氧烷(NH2-POSS),将POSS-SiC和超高相对分子质量聚乙烯粉末混合,热压成型,所制备材料比未改性SiC体系具有更高的热导率,更低的k和介电损耗,归因于POSS有效增强了相界面的作用力,有利于声子传递,抑制了界面声子极化。


03

碳化钛TiC


碳化钛(TiC)的熔点高、维氏硬度高、化学稳定性好,主要用来制造金属陶瓷、耐热合金和硬质合金。用TiC制备的复相材料在机械加工、冶金矿产、航天领域、聚变堆等领域有着广泛地应用。Tantawy等成功制备了三元乙丙橡胶(EPDM)/TiC复合材料,发现这种复合材料具有良好的导热性、热稳定性以及电绝缘性,为解决当前电子器件的散热问题开辟了新路径。


04

碳化硼B4C


碳化硼(B4C)是目前已知材料中莫氏硬度仅次于金刚石和立方氮化硼的超硬材料,显微维氏硬度高达3000kg/mm2,密度仅为钢铁的1/3,熔点高约为2447℃,热膨胀系数低、热导率高,具备良好的化学稳定性。


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因此硬度高,所以碳化硼也是防弹领域的热门材料


Sun等在氩气氛下于硼酸和硼混合粉体中加热金刚石颗粒,在合成金刚石颗粒表面形成B4C涂层。在金刚石表面镀B4C可提高金刚石与基体间的界面强度,降低界面热阻。利用B4C及含B4C涂层的金刚石复合粒子填充聚合物可获得综合性能良好的导热聚合物。


05

钛酸钡BaTiO3


铁电BaTiO3粒子,具有高k、低D,一定导热性能,可改善聚合物的介电和导热性能。Zhao等研究了[720]取向和[001]取向的BaTiO3单晶中铁弹性域的局部热导率,结果表明[001]取向和[720]取向的BaTiO3晶体的局部热导率分别为3.39W/(m·K)和5.95W/(m·K)。[720]取向的BaTiO3热导率急剧下降的根本机制是在内部高度不均匀的应变引起大量声子散射。此发现解释了铁电材料特殊的热输运行为,即除通常的自发极化方向外,在应变工程方向上出现的高应变可以调节压电和铁电特性。


06

硅Si


半导体Si具有一定的导热性能,可改善聚合物的导热能力和提高介电性能。球形、光滑表面填料粒子能够均匀分散于聚合物基体中,Hou等采用射频等离子体法一步合成尺寸均匀,表面光滑和高球形度Si纳米微球,和酚醛树脂复合后,Si微球均匀分散于基体中,Si含量为47%时,PF/Si的体系热导率高达6.2W/(m·K),100Hz下k高达106,是一类高热导率和高k的聚合物复合材料,应用于埋入式电容器和高储能密度电容器,具有良好的散热能力。


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埋入式电容的主要部分就是高的介电常数和介质材料的实现


07

其他


除上述无机功能粒子外,还有CeO2、WS2、Li2MgSiO4等导热粒子,可有效改善聚合物的热导率、力学性能,降低体系的CTE。


另外,某些有机小分子也能在聚合物内形成不同结构形态的连续晶体,借助连续晶体的规整结构在晶体内构筑利于声子传递的快速通道,显著改善聚合物的导热性能。通过选择有机分子的结构和聚合物相对分子质量及结构,控制有机晶体和聚合物配比及结晶条件,就可以控制不同的结构形态和晶体结构,实现对聚合物内部声子导热路径及最终热导率的调控。


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与传统无机和金属导热粒子不一样的声子传递通道


资料来源:

聚合物/新型导热填料复合电介质的研究进展,李旭,周文英,张财华,张帆,张祥林。


标签:催化剂及助剂化工应用技术中心胶粘剂今日头条精细化学品聚合物塑料塑料原料塑料制品
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