高導熱聚合物基復(fù)合材料研究

余陽洋 汪迪良 顧鋒雷 劉金鳳 王雨朦 劉文峰

摘要：隨著我國電力企業(yè)的發(fā)展，以及電子技術(shù)的不斷進步，其中設(shè)備的發(fā)熱問題的也越來越迫切。而為了能夠有效緩解或解決這一問題，進行有效的散熱便成為了主要研究方向。而聚合物憑借著較低的成本以及優(yōu)秀的性能而成為了學者們下主要研究的目標。

關(guān)鍵詞：高導熱;聚合物基;復(fù)合材料

引言：現(xiàn)階段，電子及電力設(shè)備的功率越來越大，而設(shè)備的尺寸卻不斷的在減小，在特高壓交流和直流系統(tǒng)中這種情況尤為明顯。而這一情況也導致了設(shè)備的散熱性能出現(xiàn)了嚴重的缺陷，對設(shè)備壽命產(chǎn)生了不利的影響。而隨著高導熱聚合物基復(fù)合材料的運用則能夠很好地提高材料導熱性，解決了設(shè)備散熱問題。新型材料的開發(fā)和制作技術(shù)的發(fā)展也都對復(fù)合材料的微觀設(shè)計開發(fā)商提供了參考價值。

一、聚合物材料的導熱性能

從宏觀的角度看，熱傳遞效果是通過微觀粒子的活動所產(chǎn)生，而材料的微觀結(jié)構(gòu)不同，導熱性能也存在差異。分子與分子的相互作用也是熱量進行傳遞的主要途徑，熱量在固態(tài)材料中的傳遞則是依靠電子和光子等傳熱介質(zhì)來做到的，固體物質(zhì)的不同，其導熱介質(zhì)也存在差異。其中，金屬的導熱介質(zhì)通常為電子，并且是自由電子，他們不會受到約束，能夠做到相互之間自由碰撞，以此來做到對熱量的高效傳遞。在無機非金屬以及絕緣材料中，很少會有自由電子，而電子傳熱則不能解釋其中的熱傳遞效果，而其中的導熱效果其實是通過晶格振動來做到的。在量子理論中，將晶格振動進行量子化，運用聲子概念，以此來解釋這兩種材料內(nèi)部的導熱過程，也就是聲子熱擴散活動。材料的散熱效果直接決定了其導熱性能，而物質(zhì)導熱率的計算一般情況下都是以德拜方程來運算。

在該方程中， 表示材料的體積比熱容，而 則代表聲子運動效率， 為聲子的平均運動行程。

通過該方程可以得出結(jié)論，材料的導熱性主要被聲子的平均自由行程所左右。無機非金屬材料因為其內(nèi)部的晶體構(gòu)造有著比較高的聲子平均自由行程，所以通常導熱性能較高。多數(shù)聚合物材料的分子結(jié)晶程度普遍較低，并且晶體的結(jié)構(gòu)沒有規(guī)律可循，非晶區(qū)的存在以及材料制作中的不足都可能會致使聲子的散射被影響，進而使材料內(nèi)部的聲子熱擴散效應(yīng)被約束，導熱性較差。

二、高導熱無機填料的研究狀況

高導熱聚合物基復(fù)合材料的導熱效果的提升關(guān)鍵就在于其中填料的選取，一些金屬顆粒雖說有著較高的熱導率而得到了普遍的運用，不過這些填料在提高熱導性的時候也會影響聚合物的電氣絕緣效果。比如，會導致電導率和介電常數(shù)急速上升，從而無法運用到聚合物基復(fù)合材料中。所以，絕緣領(lǐng)域普遍重視的是擁有較高本證熱導率并且還有著優(yōu)秀絕緣效果的無機顆粒。表1則列出了通常用到的無機填料的導熱率。

三、高導熱聚合物基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

（一）高導熱顆粒的選擇

像是氮化硼納米管和氮化硼納米片等高導熱填料通常都有著不同的導熱效果，在某個方向上的導熱性較強。在需要導熱性具備一定方向性時，可以將填料進行定向分布，在需要的方向中復(fù)合材料能夠具備較為優(yōu)秀地導熱性。當前運用在高導熱聚合物材料內(nèi)填料的選擇的方法通常分為機械剪切或是外加電場等措施。

（二）混合填充

把類型和大小都不一樣的導熱填料混合填充可以更好地運用材料的性能，以便于得到性能更好的復(fù)合材料?；旌鲜教畛洳坏梢源龠M粒子與粒子之間產(chǎn)生更多的傳熱通路，并且還可以降低材料的顆粒填充量。將粒徑顆粒不同的材料通過填料的規(guī)格進行配合，以此來提高顆粒之間的導熱能力。把微納米混合氮化硼填充到聚乙烯中，可以發(fā)現(xiàn)，同樣的含量情況下，混合填充與微米填充對比擁有著更優(yōu)秀的導熱效果。這是由于復(fù)合材料內(nèi)部微米結(jié)構(gòu)能夠當作導熱體系的主結(jié)構(gòu)，而納米材料填補微米與微米之間的間隙，以此來產(chǎn)生導熱鏈。

形態(tài)和種類不同的顆粒之間的混合填充能夠最大化發(fā)揮其協(xié)調(diào)效果，整體控制復(fù)合材料的各個能力。通過研究可知，通過運用體系分數(shù)約28%-32%的氮化硼和體積分數(shù)2%左右的多壁碳納米管填充環(huán)氧樹脂，此時復(fù)合材料的導熱率大約是平常的約745%。將氮化硼納米管和氮化硼納米片填料混合填入環(huán)氧樹脂中，可以顯著地提高其導熱效果和電絕緣效果?；旌咸畛淞系氖褂?，讓類型和效果不同的顆粒能夠進行同時作用，整體上提高了復(fù)合材料的功能性，不過如何選擇更為合理的混合材料還需要進行不斷地探索與實驗。

（三）雙逾滲結(jié)構(gòu)

作為最初便運用在導熱材料設(shè)計過程中的材料，雙逾滲結(jié)構(gòu)可以有效地減少材料整體填充顆粒含量。運用在高導熱復(fù)合材料中的雙逾滲結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念大體上和導電材料的設(shè)計一致，把填充材料加入到兩個不同的聚合物的共混材料中，使得粒子有選擇地分散到一個聚合物內(nèi)，進而做到低含量情況下的高性能材料。

結(jié)束語：本文主要就高導熱聚合物復(fù)合電介質(zhì)在微觀情況下的導熱性進行分析，并對影響其基體以及填充物的一些問題進行研究，重點詳解了高導熱聚合物復(fù)合電介質(zhì)的微觀構(gòu)成。

參考文獻：

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