导热塑料材料

2021-12-14

根据相关资料显示,在机械工程应用的导热材料,片材横向上的导热系数应达到1.3~2.0W/(m•K),而应用于在电子领域的导热材料则一般需要达到2.0~4.0W/(m•K)甚至更高,这个要求是绝大部分塑料包装材料远不能及的。导热塑料(导热高分子材料)一般来说分为以下两类:本征型导热高分子和填充型导热高分子(聚合物基复合材料)。对于本征型导热高分子材料,如聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯等,其高分子链上存在的超共轭体系有利于材料内电子的运动,从而在整个高分子链上形成导热通路。此外,树脂的结晶性能、极性基团的多少和偶极化程度也是影响导热材料作为导热性能的关键。虽然本征型导热高分子具有非常优秀的导热能力,但开发经费极为高昂,因此采用高导热填料改性是目前提高聚合物导热性能的主要途径。


导热机理

若想制取一个导热性良好的材料,那必须对材料的导热机理有点了解。热传导的过程实质量是能量的传递,不同材料的能量传递的介质是不同的。对固态物质而言,热传递的载体有电子、声子、光子(高温下发生)之不同。金属依靠自身结构中的自由电子来实现热传导,其导热系数远大于非金属。大多数聚合物材料是饱和市场体系,无自由电子存在,热传导主要依靠声子(晶格振动的简正模能量量子)传递。


对于填充型的导热聚合物材料,若填料具有高导热系数且电绝缘性较好,则复合材料的热传导依赖聚合物基体的分子链振动、晶格声子与填料晶格声子相互作用来实现;若填料具有导电性能,则复合材料中的热传导依赖于电子传热与聚合物与填料晶格振动相互作用的结果。


对于导热复合材料,最终的热导率由填料本身的热导率和填料的组成决定

材料中的内容。填料用量少时,填料在基体中以分散相存在,被聚合物包裹,不能重叠形成有效的导热网链。为了使复合材料具有有效的导热网链,填料的含量必须超过一定的临界值。当然,更大量的填料通常是以牺牲复合材料的机械性能为代价的。


将聚合物基体与填料可以分别看作一个两个热阻,当填充量较少时,从热流方向看,基体与填料相当于我们两个方面串联的热阻,阻值变化较大,导热性能也较差;当填充量较大时,填料发展之间存在相互接触,形成有效导热网链,此时基体和填料在热流方向就是相当于现在两个并联的热阻,阻值较小,导热网链能顺利地将热量数据进行信息传导。

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