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导热填料领域常见填料及最新技术进展(附导热系数表

鏃ユ湡;2019-07-09  鏉ユ簮锛毼粗  浣滆咃細admin

  导热高分子复合材料作为当今重要的热管理材料在航空航天飞行器、变压器电感、化工热交换器、特种电缆、电子封装等领域中都有广泛的应用。随着微电子集成与封装技术及相关领域的飞速发展,电子元器件和逻辑电路的体积成倍缩小,所产生的热量迅速积累和增加,工作温度也向高温方向迅速变化。为了保证电子元器件可靠工作,迫切需要研制具有较高散热能力,较高导热性能的高分子聚合物绝缘材料。

  但是一般高分子材料都是热的不良导体,其导热系数一般都低于0.5 W/(mK),见下表。为了满足微电子,电机电器,航天航空,军事装备等诸多制造业和高科技领域的发展需求,制备具有优良综合性能的高导热聚合物绝缘材料,正成为研究热点。

  一是制备本征型导热材料, 即改变高分子本身的链节结构获得特殊物理结构, 提高导热性能;

  二是用高热导率的填料粒子对聚合物进行填充, 制备填充型导热复合材料。由于本征型导热材料制备工艺复杂、难度大、成本高, 难以实现大规模生产, 所以人们对于这方面的研究较少。对于填充型导热复合材料来说, 基体的导热性能普遍较差, 复合材料的热导率主要取决于填充物的热导率及其在复合材料中的作用。因此, 填料是影响高分子复合材料热导率的关键因素。

  导热填料可分为导热无机绝缘填料和导热非绝缘填料两大类。导热无机绝缘填料有Al2O3、BN、AlN、ZnO、MgO 等;非绝缘导热塑料填料有导电率和热导率均较高的金属粉、石墨、炭黑、碳纤维、碳纳米管、石墨烯等。前者与高分子材料基体相互混合可制成导热绝缘材料,后者为导热非绝缘复合材料。室温下常见导热填料的导热系数如下表所示:

  缺点:价格昂贵,通常每公斤在千元以上;氮化铝吸潮后会与水反应会水解AlN+3H20=Al(OH)3+NH3 ,水解产生的Al(OH)3会使导热通路产生中断,进而影响声子的传递,因此做成制品后热导率偏低。即使用硅烷偶联剂进行表面处理,也不能保证100%填料表面被包覆。单纯使用氮化铝,虽然可以达到较高的热导率,但体系粘度极具上升,严重限制了产品的应用领域。

  缺点:价格很高,市场价从几百元到上千元(根据产品品质及粒径大小不同价格差别较大),虽然单纯使用氮化硼可以达到较高的热导率,但与氮化铝类似,大量填充后体系粘度极具上升,严重限制了产品的应用领域。

  缺点:合成过程中产生的碳及石墨难以去除,导致产品纯度较低,电导率高,不适合电子用胶。密度大,在有机硅类胶中易沉淀分层,影响产品应用。环氧胶中较为适用。

  缺点:在空气中易吸潮,增粘性较强,不能大量填充;耐酸性差,一般情况下很容易被酸腐蚀,限制了其在酸性环境下的应用。

  缺点:添加量低,在液体硅胶中,普通针状氧化铝的最大添加量一般为300份左右,所得产品导热率有限。

  优点:填充量大,在液体硅胶中,球形氧化铝最大可添加到600~800份,所得制品导热率高。 缺点:价格较贵,但低于氮化硼和氮化铝。

  2014年,芬兰公司 Carbodeon (专注于生产功能性纳米钻石材料),在 45% 的导热填料 (filler) 中添加 0.03wt.% 的纳米钻石材料,就能将聚合物导热性能提升 20% ,从而能够以更低的成本提升导热性能。 Carbodeon 发布的导热填料数据显示,通过添加 0.1wt.% 常见的最高效的氮化硼填料和该公司的专用调配型纳米钻石材料,基于尼龙 66 的导热复合物的导热性可提升 25% 。纳米钻石材料和复合物生产的最新改良使得在维持原有的性能提升的基础上,将纳米钻石用量减少了70%。

  2015年,东丽道康宁(总部:东京)开始在日本销售面向车载电子设备散热用途的导热填料“道康宁TC-4525”。该产品的特点是,既具备2.5W/m·K的高热导率又具备易加工性。据介绍,新产品可在最高150℃的环境下稳定发挥作用,而且,最高可暴露于200℃的高温下。因此,在发动机室等高温环境下也能稳定发挥其性能。

  2016年,瓦克推出一种新的供电子工业使用的有机硅导热填料,产品名为SEMICOSIL®961TC。该产品是一种高填充型双组分硅橡胶, 能够在室温条件下借助铂催化加成反应, 固化成一种柔软而有弹性、 表面具有粘性的有机硅弹性体, 其硫化胶能够达到2瓦/(米·开尔文) 的热导率, 同时还具有电气绝缘性能。

  2017年,中铝郑州研究院开发出适用于灌封胶用的导热填料氧化铝,开发出的产品吸油率可以降低10%-30%,分散性良好,在油基中静置一个月以上不结硬,产品性能可以完全满足灌封胶对填料氧化铝的要求。该产品可以改善复合材料的性能,可以使体系的界面相互作用增强,提高复合材料的力学性能。使用该产品制备的导热灌封胶具有高导热性、高稳定性等特点,能够迅速、及时、有效地将发热元件积聚的热量传递给散热设备,保障电子设备的正常运行。

  2017年,合肥物质科学研究院先进制造所王晓杰研究员课题组选用石墨烯(室温下热导率可高达5000W·m-1·K-1)作为导热填料,与PDMS基体混合均匀后,在10T强磁场下使石墨烯发生取向形成各向异性化的特殊结构,从而有效地提升PDMS的导热性能。研究结果表明,在石墨烯质量填充分数为3%的情况下,各向异性石墨烯/PDMS的热导率比纯PDMS材料高出174%。并且,在如此低的石墨烯填充情况下,PDMS可以保持其良好的柔韧性和生物适应性。该研究提出的在强磁场下使石墨烯发生取向形成各向异性化结构的方法,可以有效地提升复合材料的热导率,具有良好的应用前景。返回搜狐,查看更多


 
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