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誰是導(dǎo)熱填料界的“全能選手”?

信息來源:本站 | 發(fā)布日期: 2023-10-26 14:47:54 | 瀏覽量:404693

摘要:

添加導(dǎo)熱填料的聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料的熱傳導(dǎo),主要是由聚合物基體和導(dǎo)熱填料共同影響。當(dāng)導(dǎo)熱填料的添充量達(dá)到一定量時(shí),填料與填料之間或填料聚集區(qū)與另一聚集區(qū)之間會相互接觸,在復(fù)合材料體系中形成局部的導(dǎo)熱鏈或?qū)峋W(wǎng)絡(luò);若繼續(xù)增加粒子填充量,會產(chǎn)生部分的導(dǎo)熱網(wǎng)…

添加導(dǎo)熱填料的聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料的熱傳導(dǎo),主要是由聚合物基體和導(dǎo)熱填料共同影響。當(dāng)導(dǎo)熱填料的添充量達(dá)到一定量時(shí),填料與填料之間或填料聚集區(qū)與另一聚集區(qū)之間會相互接觸,在復(fù)合材料體系中形成局部的導(dǎo)熱鏈或?qū)峋W(wǎng)絡(luò);若繼續(xù)增加粒子填充量,會產(chǎn)生部分的導(dǎo)熱網(wǎng)鏈互相連接和貫穿結(jié)構(gòu),使無機(jī)填料填充的復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)得到顯著增加。然而高添加量下熱導(dǎo)率的提高往往也伴隨著加工和機(jī)械性能的下降、成本的提升和力學(xué)性能的損失。因此制備具有綜合性能優(yōu)良的高導(dǎo)熱絕緣聚合物材料仍然面臨很大的挑戰(zhàn)。


目前,用來制備導(dǎo)熱絕緣聚合物基復(fù)合材料的填料主要有碳類(碳納米管、石墨烯)、無機(jī)粒子和金屬(銀、銅)等填料。無機(jī)粒子分別有氮化物,如氮化硼(BN)、氮化鋁(AlN)、氮化硅(Si3N4)等;氧化物,如氧化鎂(MgO)、氧化鋁(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化鈹(BeO);碳化物,應(yīng)用較多的主要是碳化硅(SiC)。


常見的聚合物基體與導(dǎo)熱填料的熱導(dǎo)率

圖片


1

金屬填料



金屬具有優(yōu)良的熱、電傳導(dǎo)性能,主要有鋁粉、銅粉、銀粉、錫粉和鐵粉等。然而這些填料本身具有很高的電導(dǎo)率,將其填充到聚合物中會導(dǎo)致復(fù)合材料電導(dǎo)率明顯升高,甚至導(dǎo)電。因此,金屬類填料只能被應(yīng)用于對電絕緣和擊穿電壓要求不高的領(lǐng)域。


2

碳類填料



碳系導(dǎo)熱聚合物材料中,填料主要有碳纖維、石墨、碳納米管、金剛石和石墨烯等。碳類填料可以在很小的添加量下明顯提高材料的熱導(dǎo)率,相比于金屬填料和無機(jī)填料質(zhì)量更輕。


石墨烯由于其特殊的2維結(jié)構(gòu),具有超高的導(dǎo)熱系數(shù)和優(yōu)異的機(jī)械性能,受到各個領(lǐng)域的研究者的重點(diǎn)關(guān)注??上У氖牵碱愄盍媳旧硪簿哂休^高的電導(dǎo)率,這限制了其在絕緣領(lǐng)域的應(yīng)用。


在導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料領(lǐng)域,通常是將這類導(dǎo)電填料外包裹1層有機(jī)或無機(jī)的絕緣層,以限制填料的導(dǎo)電性,同時(shí)保留了復(fù)合材料較高的導(dǎo)熱性能。例如,杜邦公司的研究人員使用通過溶膠凝膠法(sol-gel)將石墨顆粒表面包覆1層SiO2,在填料體積分?jǐn)?shù)為22.9%時(shí),制備的聚合物復(fù)合材料熱導(dǎo)率達(dá)3.3W/(m·K)。同時(shí)具有較好的絕緣性能,施加500V電壓時(shí),復(fù)合材料體積電阻率>1.0×1014?·cm。


3

無機(jī)填料




(1)氮化物填料


氮化物填料主要有氮化鋁(AlN)、氮化硼(BN)以及氮化硅(Si3N4)等,因其具有熱導(dǎo)率高、電絕緣性能好、耐高溫性能出色以及介電性能優(yōu)良等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于絕緣高分子材料中。


氮化鋁AlN,是以[AlN4]四面體為單位結(jié)構(gòu)的共價(jià)鍵化合物,具有六方晶系,為白色或灰白色晶體。具有高的本征熱導(dǎo)率、耐高溫及良好的介電性能等優(yōu)點(diǎn),在電子膠、LED散熱、傳熱器等領(lǐng)域應(yīng)用前景很廣。當(dāng)AlN體積分?jǐn)?shù)為78.5%時(shí),酚醛樹脂/AlN復(fù)合材料的熱導(dǎo)率可達(dá)到32.5 W/(m·K),是相同含量下SiO2復(fù)合材料的20多倍,而且介電常數(shù)低。此外,AlN常被用在線型低密度聚乙烯(LLDPE)復(fù)合體系中,復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能、較高的熱導(dǎo)率、寬頻下低介電常數(shù)和損耗,用于低功率電子器件的封裝。


但其價(jià)格昂貴,且氮化鋁吸潮后會與水發(fā)生水解反應(yīng),水解產(chǎn)生的Al(OH)3會使導(dǎo)熱通路中斷,進(jìn)而影響聲子的傳遞,因此使用其制得的制品熱導(dǎo)率偏低。單純采用氮化鋁填充,可以達(dá)到較高的熱導(dǎo)率,但體系的粘度急劇上升,限制了其應(yīng)用。


氮化硅(Si3N4是由Si和N元素通過人工合成的一種新材料,具有α和β兩種晶型,均為六方晶系。由于α-Si3N4晶粒中存在晶格應(yīng)力,自由能比β相高,所以穩(wěn)定性較差,而β-Si3N4中不存在晶格應(yīng)力,作為填料填充有利于形成顆粒網(wǎng)絡(luò),提高熱導(dǎo)率,具有良好的力學(xué)性能,因此在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中以β-Si3N4為主。其用于制備新型高導(dǎo)熱環(huán)氧模塑料,在體積分?jǐn)?shù)為60%時(shí),體系熱導(dǎo)率達(dá)到2.3W/(m·K),而其介電常數(shù)仍然維持在低水平。


相比其他導(dǎo)熱填料,h-BN不僅具有高導(dǎo)熱性能、高強(qiáng)度、低吸濕率、高電擊穿強(qiáng)度、良好的抗氧化性能,而且其介電常數(shù)和介電損耗也非常低,與聚合物基體較為接近,在現(xiàn)階段是制備具有良好的絕緣性能、導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能的較理想材料。


此外,BN納米片(BNNS)和納米管(BNNT)可作為新型納米材料,因其具有超高的長徑比、2維平面和1維管狀的形貌,分別在面內(nèi)方向和軸向具有更高的熱導(dǎo)率。


圖片

BNNS和BNNT的結(jié)構(gòu)


(2)碳化物填料


碳化物填料主要是碳化硅和碳化硼填料。碳化硅(SiC)是一種共價(jià)鍵很強(qiáng)的化合物,常見的有六方晶系的α-SiC和立方晶系的β-SiC,類似金剛石結(jié)構(gòu)。碳化硅具有耐腐蝕、耐高溫、強(qiáng)度大、導(dǎo)熱性能良好、抗沖擊等特性,同時(shí)具有熱導(dǎo)率高、抗氧化、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),在微電子工業(yè)中常用于封裝材料中。但是碳化硅在合成過程中產(chǎn)生的碳和石墨難以去除,導(dǎo)致產(chǎn)品純度較低,電導(dǎo)率高,限制了其在絕緣性能要求高的材料中的應(yīng)用;而且其密度大,在有機(jī)硅類膠中易沉淀分層。碳化硼(B4C)是一種耐火材料和超硬材料,熱導(dǎo)率很高,但價(jià)格昂貴,在絕緣高分子材料中應(yīng)用不是很廣泛。


(3)氧化物填料


氧化物填料主要有氧化鋁(Al2O3)、氧化鎂(MgO)、氧化鋅(ZnO)等,它們具有一定的導(dǎo)熱能力,電絕緣性能優(yōu)良。氧化物填料主要以與氮化物混雜的方式填充絕緣高分子材料,從而可以提高材料的熱導(dǎo)率,保持穩(wěn)定的電性能,降低生產(chǎn)成本。


針狀氧化鋁的價(jià)格低,但填充量小,在液體硅膠中,普通針狀氧化鋁的最大添加量一般為300份左右,因此所得產(chǎn)品的熱導(dǎo)率有限。而球形氧化鋁的填充量大,在液體硅膠中其最大添加量達(dá)到600~800份,所得制品的熱導(dǎo)率高,同時(shí)價(jià)格較高,但低于氮化硼和氮化鋁的價(jià)格。


氧化鎂的價(jià)格低,在空氣中易吸潮,增粘性較強(qiáng),不能大量填充,且耐酸性差,很容易被酸腐蝕,限制了其在酸性環(huán)境中的應(yīng)用。


氧化鋅的粒徑及均勻性很好,適合生產(chǎn)導(dǎo)熱硅脂,但其熱導(dǎo)率偏低,不適合生產(chǎn)高導(dǎo)熱產(chǎn)品;質(zhì)輕,增粘性較強(qiáng),也不適合灌封。


SiO2的熱導(dǎo)率較低,但是電絕緣性能良好、價(jià)格較低,在電子封裝領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用,在環(huán)氧樹脂基體中體積分?jǐn)?shù)可高達(dá)79%。


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