中國粉體網訊  導熱高分子材料由于具有良好的熱交換性能，在航空航天飛行器、電子封裝、化工熱交換器、LED等許多領域中都有著非常廣泛的應用。

對導熱高分子材料來說，提高材料的導熱性能是關鍵。目前，生產導熱高分子材料最簡單有效的辦法是在高分子材料中添加導熱填料，此方法能夠有效提高導熱高分子材料的熱導率，且工藝簡單，利于工業化生產。

常見填料的導熱系數

金屬填料

聚合物中添加金屬粉末是提高材料導熱性能的有效方法，在金屬晶體中，熱傳導主要通過內部大量自由電子的定向移動，常用的金屬填料有銀、銅、鋁、鎂、鎳等。金屬粉末在具有高導熱系數的同時也具有導電性能，使得制成的導熱塑料表面電阻較低，具有一定的導電性。在對電絕緣性能要求較高的電子電器領域，對制件的表面電阻要求較高，這是金屬填充聚合物的一大缺陷。

喬梁等對微米鋁粉填充環氧樹脂的導熱性能進行研究。研究發現，當鋁粉填充體積分數達到40%時，復合材料的導熱系數發生突變，導熱系數為3.5W/(m·K)。

氧化物填料

氧化物填料主要有氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅等，它們具有一定的導熱能力，電絕緣性能優良。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率，保持穩定的電性能，降低生產成本。

氧化鋁

氧化鋁是一種多功能無機填料，具有較大的導熱系數、介電常數以及較好的耐磨性能，另外，其價格便宜，因此被廣泛應用于導熱復合材料填料。

Kazo等以氧化鋁為填料填充環氧樹脂，當填料體積達60%時，復合材料熱導率可達4.3W/(m·K)。

針狀氧化鋁的價格低，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，因此所得產品的熱導率有限。而球形氧化鋁的填充量大，在液體硅膠中其最大添加量達到600~800份，所得制品的熱導率高，同時價格較高，但低于氮化硼和氮化鋁的價格。

氧化鎂

氧化鎂為白色或淡黃色粉末，耐火性能良好。氧化鎂的價格低，在空氣中易吸潮，增粘性較強，不能大量填充，且耐酸性差，很容易被酸腐蝕，限制了其在酸性環境中的應用。

林曉丹等以MgO（40~325目）為導熱填料共混填充聚苯硫醚(PPS)，發現MgO填充量為80%時，PPS復合材料的熱導率3.4W/(m·K)，并保持較好的力學性能和電絕緣性能。

氧化鋅

氧化鋅的粒徑及均勻性很好，適合生產導熱硅脂，但其熱導率偏低，不適合生產高導熱產品；質輕，增粘性強，也不適合灌封。

氮化物填料

常用的氮化物填料有氮化鋁、氮化硼、氮化硅等，具有導熱系數高、熱膨脹系數低、介電常數低、耐高溫等優點，是提升絕緣體系導熱性能的最佳填料。

氮化鋁

氮化鋁是原子晶體，屬金剛石氮化物類，可在2200℃高溫下穩定存在，其導熱性能好，熱膨脹系數小，是良好的耐熱沖擊材料。氮化鋁的導熱系數接近氧化硼和碳化硅的導熱系數，比氧化鋁的導熱系數大5倍以上。

蔚永強等應用雙粒度氮化鋁混合填充環氧樹脂，研究了氮化鋁顆粒的添加量、級配填充對復合材料的導熱性能的影響規律，研究發現粒徑20μm與3μm質量比為4/6，填充量為60%，熱導率達1.373W/(m·K)，比其他同類型產品熱導率提高了30%。

氮化硼

氮化硼屬六方晶系的層狀結構，與石墨結構類似，具有較高的熱導率，較低的熱膨脹系數，優良的熱穩定性，較高的抗氧化性等。但其價格很高，雖然單純采用氮化硼可以達到較高的熱導率，但與氮化鋁類似，大量填充后體系的粘度急劇上升，限制其應用。

Wang等使用BN作為導熱填料填充環氧樹脂，由于BN本身具有較高的導熱系數、低介電常數和低熱膨脹系數，使得制得的復合材料具有良好的綜合性能。使用六方BN進行填充的復合材料導熱系數達到2.91W/(m·k)，而使用立方BN填充的復合材料導熱系數可達3.95W/(m·k)。

氮化硅

氮化硅電絕緣性能優異，熱導率高達180W/(m·K)，強度較高。氮化硅具有α和β兩種晶型，均為六方晶系。在實際生產應用中，以β-Si3N4為主。 

王明明等采用澆注法制備了氮化硅/環氧樹脂復合材料，研究了粒徑和添加量對導熱性能的影響。結果表明，當氮化硅體積添加量為30%時，復合材料熱導率達0.83W/(m·K)，采用硅烷偶聯劑處理對材料導熱性能和力學性能都有所提高。

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

碳化硅是用石英砂、石油焦（或煤焦）和木屑等原料通過電阻爐高溫冶煉而成。碳化硅化學性能穩定，其導熱性能優于其他半導體填料，在高溫下導熱系數甚至大于金屬。

Nathan等以SiC為導熱填料填充環氧樹脂，研究發現，SiC粒子可促進環氧樹脂的固化，并在體系中形成導熱通路或導熱網鏈，提高力學及導熱性能。

碳化硼

碳化硼是一種耐火材料和超硬材料，熱導率很高，但價格昂貴，在絕緣高分子材料中應用不是很廣泛。

S E Gwaily等以碳化硼為導熱填料來填充天然橡膠材料，發現碳化硼的加入可以提高天然橡膠的熱擴散系數，且天然橡膠的熱擴散系數經過老化后也有所提高。

其他無機非金屬填料

無機非金屬填料主要指碳納米管、石墨、炭黑以及一些礦物原料。

碳納米管

碳納米管是由石墨原子單層繞成的管狀物，分為單壁碳納米管和多壁碳納米管，由于擁有較高軸向熱導率，在復合材料中少量添加就可明顯改善熱導率。

何強等研究了碳納米管對Al2O3/硅橡膠導熱復合材料的增強效果，結果發現：隨著碳納米管填料的增加，復合材料導熱性能逐漸增加，碳納米管的存在有助于填料導熱通路的形成，使之協同導熱；原預想碳納米管在體系中伸展后能形成導熱通路，可大幅提高導熱效率，但由于開煉共混時剪斷了長徑比極高的碳納米管，增益效果未能達到預期。

石墨

石墨是一種層狀非金屬材料，表面光滑，具有優良的潤滑性能，在剝離狀態下具有較大的形狀因數。石墨片層比強度（強度/密度比）較高，導電性能和導熱性能優異。且與碳納米管相比，石墨價格低廉。

Zhou等采用鱗片石墨填充PA6和PA6//PC體系，填料質量分數30%后可形成導熱通路使熱導率和電導率快速升高。

結語

電子電器、航空航天、等領域的高速發展，對導熱高分子材料提出了更高的要求，兼具高熱導率且優良綜合性能的導熱高分子材料是未來新材料領域的研究重點。

參考資料：

李俊明、虞鑫海等.導熱填料在絕緣高分子材料中的應用

方萬漂.聚合物導熱材料用填料及其表面處理的研究進展

劉科科、王濤等.高分子復合材料用導熱填料研究進展

喬琳.導熱填料在橡膠中的應用研究進展

劉升華、朱金華等.不同形狀填料填充導熱復合材料的研究進展

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