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填充型導(dǎo)熱塑料研究與應(yīng)用進(jìn)展
????????前言本文以導(dǎo)熱填料為主線，對(duì)金屬、金屬氧化物、氮化物、碳材料等功能填料改善塑料導(dǎo)熱性能的研究狀況進(jìn)行綜述。此外，還介紹了填充復(fù)合型導(dǎo)熱塑料在LED 燈、管材和換熱器等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展。
????????填料種類
????????1、金屬
????????金屬是熱的良導(dǎo)體，主要依靠自由電子實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)，其聲振效應(yīng)所引起的熱傳導(dǎo)可忽略。
????????少量金屬加入基體中，便可大幅度提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，在非絕緣場(chǎng)合占據(jù)重要位置。
????????2、金屬氧化物
????????金屬氧化物絕大多數(shù)為絕緣體，主要是靠聲子導(dǎo)熱機(jī)理實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)。與金屬相比，其氧化物熱導(dǎo)率雖然不高，但價(jià)格十分低廉，大量填充到聚合物中也可以達(dá)到理想的導(dǎo)熱效果。
????????常用的金屬氧化物填料：
?????????? Al2O3： 一種很常用的導(dǎo)熱填料，相對(duì)于聚合物材料具有較高的熱導(dǎo)率，較好的介電性能和相對(duì)低廉的價(jià)格。
?????????? MgO：相對(duì)于Al2O3，MgO在空氣中易吸潮，增黏性較強(qiáng)，不能大量填充，且耐酸性差，很容易被酸腐蝕，因此限制了其在酸性環(huán)境中的應(yīng)用。但是，采用與熱導(dǎo)率較高的氮化物復(fù)配的方式，少量填充MgO，可以降低復(fù)合材料的成本。
????????在高粉體填充時(shí)，熔體黏度增大，加工較困難，ZnO 的增黏性較MgO 低，將其填充到尼龍(PA)6 中，制得的導(dǎo)熱塑料具有更高的熱導(dǎo)率和加工流動(dòng)性。當(dāng)改性后的ZnO 的體積分?jǐn)?shù)為25% 時(shí)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率達(dá)到1.05 W/(m·K)。
????????3、氮化物
????????相對(duì)于金屬氧化物，金屬氮化物熱導(dǎo)率高、線膨脹系數(shù)低、耐高溫、電絕緣性好并具有較好的介電性能，廣泛用作電子陶瓷基板及導(dǎo)熱封裝材料，是一類很有潛力的導(dǎo)熱填料，但其缺點(diǎn)是價(jià)格較貴，這在一定程度上限制了它在導(dǎo)熱塑料中的應(yīng)用。
????????常用的氮化物有氮化鋁(AlN)，BN 和氮化硅(Si3N4)，它們具有致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，少量的添加即可達(dá)到較高的熱導(dǎo)率。
????????4、碳材料
????????常見的碳材料主要有碳化硅(SiC) 和石墨，它們的熱導(dǎo)率高，價(jià)格相對(duì)低廉，是制備導(dǎo)熱材料的理想填料。
????????SiC 具有良好的熱穩(wěn)定性，硬度高，線膨脹系數(shù)低。
????????石墨的熱傳導(dǎo)載體為電子和聲子，兩者的協(xié)同作用使其具有很高的熱導(dǎo)率，與金屬最為接近。
????????由上述四類填料特性可見，不同種類的導(dǎo)熱填料各有優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)塑料導(dǎo)熱性能的改善效果也不盡相同。這就要求研究者充分了解各種填料的性能，并且根據(jù)自己的研究方向，選擇合適的導(dǎo)熱填料與基體進(jìn)行填充，最終使導(dǎo)熱復(fù)合材料具有良好的綜合性能。
????????導(dǎo)熱塑料的應(yīng)用 LED
????????導(dǎo)熱塑料可以替代金屬部件應(yīng)用到LED 中，例如：燈座、冷卻散熱燈杯、外殼、散熱器、基板、反射器、插件等。
????????這不僅可以避免金屬在惡劣環(huán)境中容易發(fā)生腐蝕和結(jié)垢，使燈具過重、成型困難等問題，而且可使LED 的散熱均勻，減少零件因高溫造成變形，從而延長(zhǎng)燈具的使用壽命，還能降低運(yùn)輸、安裝的成本。
????????導(dǎo)熱管材
????????相對(duì)于鋼制、鐵制等金屬管材，塑料管材具有耐腐蝕性強(qiáng)、質(zhì)輕、衛(wèi)生安全、水流阻力小、對(duì)水質(zhì)PH 值無要求等優(yōu)點(diǎn)，在上下水管道、燃?xì)夤艿?、地板采暖管道和地源熱泵?/span>產(chǎn)業(yè)中廣泛應(yīng)用。
????????但是，塑料的熱導(dǎo)率低，通過降低管道壁厚或增大管道長(zhǎng)度和表面積的方法來提高導(dǎo)熱效率，會(huì)導(dǎo)致管道強(qiáng)度降低且增加成本。
????????計(jì)算知：若塑料管的熱導(dǎo)率 ≥ 1 W/(m·K)時(shí)，在地源熱泵系統(tǒng)中，導(dǎo)熱管比普通管單位管長(zhǎng)的換熱能力在冬夏季制冷制熱工作下提高幅度均大于15%。因此，在換熱工程中，采用導(dǎo)熱塑料管具有更明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
????????所以，提高塑料管材的熱導(dǎo)率，是節(jié)約樹脂、節(jié)約能源、降低成本的有效措施。
????????換熱器
????????換熱器是能源動(dòng)力、石油化工、食品加工等行業(yè)的核心設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位。
????????傳統(tǒng)的換熱器都是由純金屬和合金加工而成，它們易被腐蝕而加重了工業(yè)生產(chǎn)的危險(xiǎn)性，也造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。
????????聚合物換熱器是用聚合物材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬來制備的換熱器，受到越來越多研究者的重視。
????????石墨散熱片是一種新材料，它是通過石墨熱分解在高分子薄膜上形成一層石墨結(jié)晶層，既具有高的熱導(dǎo)率，又具有良好的柔軟性。實(shí)驗(yàn)表明，石墨散熱片可以將熱量快速地傳遞和散熱，散熱效果是金屬銅(Cu)和鋁(Al)的兩倍以上。
????????其他方面
????????導(dǎo)熱塑料不僅可以應(yīng)用在LED、導(dǎo)熱管材和換熱器中，因其具有優(yōu)異的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能更是航空航天領(lǐng)域必不可少的關(guān)鍵部件。特別是碳導(dǎo)熱材料更是最近幾年最具有前景的材料之一。
????????高超聲速飛行器長(zhǎng)時(shí)間飛行駐點(diǎn)溫度高，需要高導(dǎo)熱材料及時(shí)對(duì)熱量進(jìn)行轉(zhuǎn)移，從而增加飛行器的穩(wěn)定性;
????????空間飛行器的大面積薄板結(jié)構(gòu)、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等部位，也要求材料具有質(zhì)輕、熱導(dǎo)率高、力學(xué)性能良好等優(yōu)異的綜合性能;
????????另外，在大型計(jì)算機(jī)、筆記本電腦的CPU 及隨著民用電器裝置性能的不斷提高，元件密集度不斷提高，會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量驟增。
????????這些熱量若不能及時(shí)導(dǎo)出，電子器件的正常工作及系統(tǒng)的穩(wěn)定性就會(huì)受到嚴(yán)重影響。
????????結(jié)語
????????填充型導(dǎo)熱塑料的研究和應(yīng)用很多，傳統(tǒng)的金屬填料已經(jīng)被金屬氧化物、氮化物和碳材料所取代，采用不同的方法與不同基體復(fù)配后在一定程度上都發(fā)揮了各自的優(yōu)勢(shì)，取得了一些成果。在LED 燈、導(dǎo)熱管材和換熱器以及其它應(yīng)用中，導(dǎo)熱塑料起到了重要的作用。
????????目前，導(dǎo)熱塑料應(yīng)用的行業(yè)越來越多，市場(chǎng)對(duì)于具有優(yōu)良力學(xué)性能和高導(dǎo)熱材料的需求也越來越大。
????????因此，開發(fā)新型導(dǎo)熱填料，探索不同種類填料對(duì)改善復(fù)合材料導(dǎo)熱性能以及應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)受到高度重視，并應(yīng)及時(shí)解決，以滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和國(guó)民發(fā)展的需要。
