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导热塑料的研究与应用


导热塑料的研究与应用
第六图书馆 随着科学的进步导热塑料应用领域不断扩大,尤其近些年来蓬勃发展的信息产业,为导热塑料提供了新的发展空间。本文对比了 高分子材料、金属材料及金属氧化物导热性能,介绍了聚合物的导热机理,并对不同填充含量可适用的导热模型进行了介绍。讨 论了提高塑料导热性能的途径和近年来提高导热性能新的研究方法,对非绝缘导热塑料、绝缘导热塑料的应用研究和最新进展

作了综述,提出了导热塑料目前存在的问题,展望了导热塑料的应用前景。随着科学的进步导热塑料应用领域不断扩大,尤其近 些年来蓬勃发展的信息产业,为导热塑料提供了新的发展空间。本文对比了高分子材料、金属材料及金属氧化物导热性能,介绍 了聚合物的导热机理,并对不同填充含量可适用的导热模型进行了介绍。讨论了提高塑料导热性能的途径和近年来提高导热性 能新的研究方法,对非绝缘导热塑料、绝缘导热塑料的应用研究和最新进展作了综述,提出了导热塑料目前存在的问题,展望了 导热塑料的应用前景。导热系数 南2500612007第六图书馆 塑料 导热模型 研究方法高分子通报李丽 王成国山东大学材料科学与工程学院,济

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导 热 塑料 的研 究 与 应 用 
李  丽 王成 国    
( 东大 学材料 科 学与 工程 学 院 , 山 济南  2 0 6 ) 50 1  
摘 要 : 着 科 学 的进 步 导 热 塑 料 应 用 领 域 不 断 扩 大 , 其 近 些 年 来 蓬 勃 发 展 的 信 息 产 业 , 导 热 塑 料 提 供  随 尤 为 了 新 的 发 展 空 间 。本 文 对 比 了 高分 子 材 料 、 属 材 料 及 金 属 氧 化 物 导 热 性 能 , 绍 了 聚 合 物 的 导 热 机 理 , 对  金 介 并
不 同 填 充 含 量 可 适 用 的 导 热模 型 进 行 了 介 绍 。 讨 论 了提 高 塑 料 导 热 性 能 的 途 径 和 近 年来 提 高 导 热 性 能 新 的研  究方法 , 对非 绝缘 导 热 塑 料 、 缘 导 热 塑 料 的 应 用 研 究 和 最 新 进 展 作 了 综 述 , 出 了 导 热 塑 料 目前 存 在 的 问 题 , 绝 提   展 望 了导 热 塑料 的应 用前 景 。   关 键 词 : 热 系 数 ;塑 料 ; 热 模 型 ; 究 方 法  导 导 研

金 属材 料 为传统 概念 上 的导 电 、 热材 料 , 随着 高 分 子 科学 技 术 的进 步 , 分 子材 料 也 成 为 导 电 、 导 但 高   导热领 域新 的 角色 , 它颠 覆 了传统 高分 子 材料绝 缘 隔热 的 概念 。导 电高 分子 材料 是近 几 年研 究 的一 个 热  点, 导热 高 分子 材料 也 随着应 用领 域 的不 断扩 大逐 渐被 人们 重视 , 换热 工程 、 如 电磁屏 蔽 、 子 电气 、 擦  电 摩

材料 等 。近些 年来 蓬勃 发展 的信 息产 业 , 对高 分子 材 料 的性 能提 出 了新 的要 求 , 其 为导 热 塑料 的发 展  尤
提供 了发 展空 间 , 热 塑料在 电脑配 件上 的应 用将 改 善 电 脑 的散 热 问 题 并 提高 其 运 行 速度 和稳 定 性 , 导 如  C U、 P 笔记 本外 壳 和各种 集成 电路 板 , 些 材 料 都要 求 导 热 绝 缘 。高 分 子材 料 绝 缘 好 , 作 为 导 热 材 料 , 这 但   纯 的高分 子材 料一 般是 不能 胜任 的 , 为高分 子 材料 大 多 是 热 的 不 良导 体 。高 分 子 的 导热 系数 小 ( 表  因 见 1 要拓 展 其在 导热 领域 的应 用 , ) 必须对 高 分子 材料 进行 改性 。  
表 1 一 些 高分 子 的 导 热 系 数 …  
Ta e 1 The m a  o uciiy  fs m e p y e s bl    r lc nd tvt o  o   olm r 

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由 Fedna reoi  集 团 出版 的研究 报 告 ( 国市 场研 究 机 构 ) 美 预测 , 2 0 到 0 6年 , 国 对传 导 性 高 分 子 材料  美 的市 场需求 预 计在 未来 的 4年 内每年 增 长 6 5 , 到 9 2亿 美 元 。报告 还 研 究 了不 同传 导 工 艺技 术过  .% 达 . 去 的发 展趋 势 和将 来 的 预 测 , 如填 充 炭 黑 粉 末 的 、 金属 填 充 、 维 填 充 、 层 以及 可 利 用 树 脂 的范 围 。 用 纤 涂   Fedna 询委员 会 预测 最好 的工 艺技 术 是纤维 填 充 的传 导高分 子 , 为他们 具 有 最好 的屏 蔽性 质 和 表  r 。i 咨 e 因 面性 质 , 长 最大 的是 P C为 基体 的树 脂 , 为 P C树脂 具 有 较 低 的价 格 , 增 V 因 V 可增 强 的性 质 和较 好 的可 设 

作 者 简 介 : 丽 ( 9 3 , . 教 授 , 事 高 分子 材 料 的 改 性 和 孽 擦 学 的研 究  李 16 一) 女 副 从

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计 性 和简单 的加工 工艺 。按 照这 个报 告 , 传导 高 聚物 在 抗 静 电 包 装将 发 挥 重 要 作用 , 敏感 电子 装 置 的  在 电子元 件 的需 求将 增加 。   D ns ae 等  在文 章 中指 出 , 材在 横 向上 的合适 的热 导 系数 是 : 机 械 方 面 的应 用 为 13 i~?   片 在 .W? n K


2w?   m~? K~, 电子领 域 的 应用 为 2~4W ? ~? 在   i n K~, 未 填 充工 程 塑料 热 导 率 只有 0 1 而 .5~0 3 . 。制 

造 填 充型 导热 复合 材料 的一 个 大 的困难 是 如何保 持 树脂 基体 的原有 性能 。由于填 料 的加 入 , 材料 的机  使 械性能 下 降 。因此 , 复合 材料 的设 计 中不仅 要 考 虑 到 好 的传 导 性 , 且 要 求 材料 稳 定 性 好 、 毒 无 害 、 在 而 无   机械性 能 良好 和价 廉 。相对 于填 充 型聚 合物 的另一 个选 择是 使用 本 身具 有 良好导 热性 能 的 聚合 物 , 但是 
此类 材料 价格 昂贵并且 性能 上 缺乏 稳定 性 , 为他们 在使 用 上 的主要 缺点 。塑料 是高 分子 材 料 中产 量最  成 大 的材料 , 文将 介绍 导热 塑 料 的研究 和 发展 。 本  

l 导 热 机 理   
导热 性 能是 聚合 物 重要 的物 理性 能之 一 , 于 热流 平衡 计算 , 合物 结构 与性 能 , 对 聚 聚合 物 加工 艺 条件  及 聚合物 材料 应 用等 都有 重要 意 义 。由乌 克兰科 学 家 I C. 帕 托 夫 主编 《 O. 利 聚合 物 物理 化 学 手册 》 ,   对  常用 聚合 物 的导热 系 数及 导热 系数 与交 联度 、 照 剂量 、 辐 流体 静 压力 的关 系提 供 了较 为详 细 的数 据 。  
11 导 热 基 本 定 律  .

傅立 叶 定 律 : 导 热 现 象 中 , 在 单位 时 间 内通 过 给定 截 面 所传 递 的 热量  , 比例 于垂 直 于该 截 面方  正
T 向上 的温 度 变化 率— 而 热量 传递 的方 向与 温度 升 高 的方 向相反 , d 即  J. |


即 

=一  

() 1 

式中, 负号 表示 热流 与温 度梯 度方 向相反 ; 为导热 系数 , 是衡 量物 体 导热性 能 的物 理量 。   它   热能 传输 不是 沿 着一 条直 线 从 物 体 的一 端 传 到 另 一 端 , 是 采 用 扩 散 形式 。热 能 的 荷 载者 包括 电  而 子、 光子 和声 子 。对 于绝 大多 数 固体物 质 , 热能 荷载 者是 电子和声 子 。所 以 , 体 的总 导热 系数 为 : 物   对 于完 整 的晶体 电子 的导 热 系数 为 :  

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=   +  


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÷  
k s= 了     1 ln  V c

() 2 

( 3 )  
() 4 

声 子 的导热 系数 为 :  

式中,  为声 子平 均速 度 , 为 声 子的平 均 自由程 , 为声 子 的热容 。 z c  

对于 大 多数 聚合物 , 它们 都 是饱 和体 系 , 自由 电子 存在 , 以热 传 导 主 要 是 晶格 振 动 的结 果 , 无 所 即热 
能荷 载者 是声 子 . 导热 系数 由 ( ) 理 。 其 4处  

由于粒 子填 充高 分子 材料 的结 构复 杂 , 影响 热 导 率 的 因素 有 许 多 , : 质 的种 类 、 如 物 材料 成 分 、 度 、 温   湿度 、 力 、 压 密度 等 , 因此关 于 导热 系数 的预 测模 型 也很 多 , 根 据 不 同 的结 构 形 态 选 择合 适 的模 型进 行  应
预 测 。李 侃 社  、 彤非  对各 种不 同 的导 热 模 型 和适 用 范 围 进行 了很 好 的总结 , 面介 绍 三 个 常用 模  石 下
型。  

1 2 导 热 模 型  .

12 1 M x e— uk n 型  ..   aw lE ce 模 l

18 年 Maw l通 过求 解 电场 能 量 的 L p c 方 程 得 到 了基 体/ 形 粒子  81 xe l al e a 球

复合 材料 的 电导率 计算 公式 , 必 须满 足分散 相 粒子 在 基体 中极 稀分 散 的条件 : 但  
…:   R  


2    R

.一  

V R    

( ,一

R  

.  )

㈥  

式 中 : , , —— 分别 为复 合材 料 、 体材料 和 分散 相 的电导 率 ; —— 分 散相 粒子 的体 积分 数 。     ,   基  !   Ece ukn将 电导 率换 为导热 系数 , 到 Maw lE ce 方 程 : 得 x e — uk n l  

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r    、

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2  l+ 2+ 2 (      2一 1 1   ) 

_  _

式 中 : , , — — 复合 材 料 、    .  , 基体材 料 和分 散相 的导 热 系数 ; — 分 散相 粒子 的体 积 分数 。  —  
此式 用 于预测 球形 粒子 填 充复 合材 料 的导热 系数 。在 低 填 充 条件 下 , 充 用量 小 于 1 % , 预测 结  填 0 其 果 与实 验结 果基 本一 致  。   122 H si S tk a ( S 模 型  H si—hr m n方程 式是 目前 估算 填 充 型 聚 合 物热 导 率 应 用最 多 的  ..   ahn hr m n H ) — i ahnS tk a i 公 式 。通常 , 现有 的模 型适 宜 于低 填充 情 况 , 当导热 填料 粒 子 的填充 量 超过 2 %时就 不适 用 了 。 0  


个混 合均 匀 的复合 材料 的 导热率 可 以根 据 H si S tk a ahn hr m n模 型 ? ( 写 为 H ) 出 。假设 一 个  — i   简 s导 和  , 形 颗 粒 的体 积 分 数 为  球

复合材 料 由均匀 的基体 M 和 球 形 颗 粒 P组 成 , 们 的导 热 率 分 别 为  它


对 于基体 的导 热 率较 小 的情况 ( < ) 取 H     , s模 型 的下 限 

一 则 该 复合 材 料 的导 热 率 可 由 ( ) , 7 式 

得出:  
1   s  。 1  

2  M+ l 2[ ( M — l     一  P  3     )

r  

^ . 。. 一-  

l M  

… 

如 果 复合材料 是 由高 导热 性 的相 围 绕低 导热 性 的颗 粒 组成 的 , 即  来描 述其 导热 行 为n  。例 如 , 于高 导热性 的云母 ( 对  

> ,   则应 该 用 H s模 型 的上 限 

为 云 母 的导 热 系数 ) 基体 中嵌 着 聚合 物 P ( 丙  P聚

烯 )  为 聚丙烯 的导 热 系数 ) ( 颗粒 的情 形 , 其导 热率 按 ( ) 计算 : 8式  
.. .  

㈦ 

尽 管 对颗粒形 状 采用 了球 形 近似 , 但方 程 ( ) ( ) 际上仅 依 赖 于材料 的体 积分 数 而 未考 虑 填 料 和基 体  7和 8实
的微 观尺寸 和形 貌 。如将 颗粒 填充 的聚合 物基 复合 材料 的测 量 结果 与方 程 ( ) ( ) 比较 , 粒必 须 在  7 和 8作 颗

基 体 中是 随机分 布 的。   利 用 ( S 模 型 的传 导 率  H)
率  …. . . .   :  

和  一 根 据 Shln , ciig和 Pr sh  的研 究 结果 , 以算 出传 导相 的连 接  l a zc ¨ t 可

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3 … : ! 二 [          : : 二

由此所 确定 的连 接 率是 针对 一个理 想 的 由高 导 热 相 构成 的互 连 网络 的一 个 相 对 测量 值 。 由于导 热 
率是 由高导 热 路径 上 的最少 的连 接点 决定 的 , 以得 到 的连 接 率 也 主要 由这 些 连 接点 所 决 定 。例 如 , 所 如 

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( 9 )  

果高 导热 相是 通过 点接 触互 连 的 , 多数 的高 导热 相 将 不 会 对 总 的导 热 率 有直 接 的贡 献 , 不 是理 想情  大 这
况下 的互 连 , 确定 的连 接 率 主要 受 点接 触情 况 控 制 。如 果 材 料 中不 同相 的 导热 率 差 别 很 大 时 , 形就  所 情
更是 如此 。  

虽然热 扩 散系 数 a是 关 于热平 衡 过程 的度 量 , 而导 热 率 描述 的是 物体 的传 热能 力 , 在 一 个 均 匀 的  但 物体 中 , 扩散 系数 a和导热 率  通 过 比重 l 比热 容 c 生关连 , 在 如下关 系 : 热 D和  产 存  
= t   2l CD ( O  1)

式中, 热扩 散 系数 a表 示 热平 衡过 程 , 导热 系数  表示 材料 热传 导 的能 力 。  
we ef l l 利用 H si—hr m n模 型对导 热 系数进 行 了 比较 , 预测 了粒 子 的连接 率 。他 用 磁 铁  i n lr。 d ee9 ahnS tk a i 并 矿 、 晶石 、 母 、 重 云 铜粉 、 酸锶 和玻 璃纤 维作 填料 , 量 了样 品 的热扩 散系 数 、 铁 测 比热 和 密度 , 而得 到导热  从 系数 。用 3 vl 0o%的云母 填 充 , P的导热 率从 0 2 增 加 到 2 5 ( K)填 充 P P .7 .W/m , P样 品 的导 热率 同 H s模 型  值进 行 比较 , 过热 导 率 的模 型值 与测量 值 的对 比得 出 聚丙烯 基 体 中粒子 的连 接率 。 通  

12 3 A ai 型  许 多模 型讨论 的填 充量 一 般 集 中 在 0~lV l ..  gr模 O o%或 l % ~3 V l 低 、 0 0 o% 中填 充 量 的 情 
况 , 于高填充 以及超 高填 充 , 对 粒子 彼此 有 了接 触而 发生 团 聚现 象甚 至形 成导 热链 , 另外填 充 粒 子 对 聚合 
物形 态 的影 响也 应有 所考 虑 .  

A a 等  提 出的模 型 , gr i 对高 填 充和 超高 填 充 的导 热 材 料 进 行 了 预测 。他 对不 同 压力 下 填 充粒 子 的  表 观密 度进行 测 量 , 并计 算 了空 隙 度 ( V) F F , V与 粒 子 的 临 界 体 积分 数 ( P C 有 关 , C V CV ) 即 P C=l V一他  _ F 提 出 的理论模 型 认为 , 那些 填 充的 聚合物 体 系 中 , 昕有 填 充 粒子 聚集 形 成 的 传 导块 与 聚 合 物 传 导块  在 若

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在 热 流方 向上 是平 行 的 , 复合 材 料 的导热 率最 高 ; 是 垂 直 的 , 复 合 材 料 的导 热率 最 低 ( 则 若 则 见图 1 。 由 )   于 在 复合材 料 的制 备 中 , 料会 影 响 聚合 物 的结 晶度 和结 晶尺 寸 , 而 改变 聚合 物 的导热 率 , 填 从 因此 他考 虑  了填 料 的影 响 , 并假 定 均匀 分散 , 而得 到 了理论 等式 :  
lX = V C lX g r 2g  (   )g CI ) 2+ I一 l(  I  ( I  I)

式 中, . c 为影 响结 晶度 和 聚合 物结 晶尺 寸 的 因子 ,  为形 成 粒 子 导热 链 的 自 由因子 , 为 复合 材 料  c   的导 热率 , 为 聚合 物 基体 的导 热率 , 为粒子 的导热 率 , 为粒 子 的填充 体 积分数 。  。      

P ri l s a tce   p lm e  oy r P ri l s a tc e   P l me   oy r

图 I A ai 传 导 模 型    gr 的
Fiu e   g r I C n c in mo lo  ai o du to   de  fAg r  

Wog等…  n 研究 了硅 石 、 氧化 铝 、 化 铝 等 陶瓷 粒 子 填 充 环 氧 树脂 , 环 氧 树脂 的导 热 系数 、 性 模  氮 对 弹 量 、 膨胀 系数 的影 响 。测 得 的数据 同文献 中理 论 或 半 理论 的公 式 进 行 比较 , 热 并用 于 预 测 两相 混 合 物 的  性质 , 结果 发现 A ai 型对导 热 系数 提供 了一 个较 为 准确 的估 算 。 gr模  

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2 提 高 塑 料 导 热 性 的途 径   

提 高 聚合 物导 热性 能 的途 径有 两种 : 一 ; 成 具有 高导 热 系数 的结 构聚 合 物 , 具有 良好导 热 性能  第 合 如 的聚 乙炔 、 聚苯 胺 、 吡咯 等 , 聚 主要通 过 电子 导热 机 制实 现导 热 , 或具有 完 整结 晶性 , 过声 子 实现 导 热 的  通 聚合物 ; 二 , 过 高导 热无 机 物对 聚合 物进 行 填充 , 第 通 制备 聚 合 物/ 机 物 导热 复 合 材 料  。 由于 良好导  无 热 性 能有机 高分 子价 格 昂贵 , 充制 备导 热 聚合是 目前广 泛 采用 的方 法 。 填  
可 以用 作导 热粒 子 的金 属 和无 机填 料大 体有 以下 几种 :   () 1 金属 粉末 填 料 : 粉 、 铜 铝粉 、 粉 、 粉 ; 金 银   () 2 金属 氧化 物 : 氧化 铝 、 氧化 铋 、 氧化 铍 、 氧化 镁 、 氧化 锌 ;  

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() 3 金属 氮化 物 : 氮化 铝 、 氮化 硼 ;  
() 4 无机 非金 属 : 墨 、 化硅 。 石 碳  

无机 非 金属 材料 作 为导热 填 料填 充 高分子 材 料 基体 时 , 充效 果 的好 坏 主要 取 决 于 以下几 个 因 素 : 填  
() 1 聚合物 基体 的种 类 、 特性 ;2 填料 的形 状 、 径 、 寸 分 布 ;3 填料 与 基 体 的 界 面结 合 特性 及两 相 的  () 粒 尺 () 相互 作用 。以往 常采 用 的方法 有 : 利用 有 一定 长径 比的颗粒 、 晶须形 成连 续 的导 热 网链 ; 选用 不 同 的粒 径 

的填 料组 合 , 达到 较 高填充 致 密度 ; 利用 偶 联剂 改 善 填料 与 基 体 的界 面 , 减 少界 面 处 的 热 阻 ; 纳 米 材  以 用
料填 充 塑料 提高 导热 系数 是 近年 来研究 的热点 。  

导 热塑料的分类和应用  
对于 导热 塑料 的 研究 和应 用很 多 , 以对 其进 行 简单 的分 类 , 照 基 体 材 料 种类 可 以分 为热 塑 性 导  可 按 热 树脂和 热 固性导 热 树脂 ; 填 充粒子 的 种类 可分 为 : 属填 充 型 、 属 氧 化 物填 充 型 、 属 氮 化物 填 充  按 拿 金 金

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型、 无机 非金 属填 充 型 、 维填 充型 导热 塑 料 ; 可 以 按 照导 热 塑 料 的 某一 种 性 质 来 划 分 , 纤 也 比如 根据 其 电  绝缘 性能 可 以分 为绝 缘 型导 热 塑料 和非 绝缘 型 导热 塑料 , 文按 后一 类 分类 。 本  
3 1 非 绝 缘 型 导 热 塑 料  .

由于塑 料本 身具 有绝缘 性 , 因此绝 大 多数导 热 塑 料 的 电绝 缘 性 能 , 终 是 由填充 粒 子 的 绝缘 性 能 决  最

定 的 。用于 非绝 缘 型导热 塑料 的 填料 常常 是金 属粉 、 墨 、 黑 、 纤 维 等 , 类 填料 的特 点 是具 有 很 好  石 炭 碳 这 的导 热性 , 能够 容易 地使 材料得 到高 的导 热性 能 , 是 同时 也 使 得 材料 的绝 缘 性 能 下降 甚 至 成 为导 电材  但
料 。因此在 材料 的 工作 环境 对于 电绝 缘性 要求 不高 的情 况 下 , 都可 以应 用上 述填 料 。而且 在 某 些 条件 下 

还必 须要求 导 热塑 料具 有低 的 电绝缘 性 以满 足特 定 的要 求 , 抗静 电材 料 、 如 电磁 屏蔽 材料 等 。   金属 填料 的添 加对 聚合物 的 导 电和 导热 性 能 都 有很 大 的提 高  , 类 研 究 文 章 很 多 。L y 等  。 此 ut 。   用不 同含 量的 铜粉 填充 低密 度聚 乙烯 ( D E 和线 性低 密 度 聚乙烯 ( L P )导 热 系数 随 着铜 粉 含 量 的增  LP) LD E , 加而 增 加 , 电阻 随着铜 粉含 量 的增加 而 降低 , 如 : 充 2 V% 的铜粉 , D E和 L D E导 热系 数 均 提 高 2 例 填 4 LP LP   倍 以上 , 电阻 降低 15 以上 。从混合 焓 的结 果显 示铜 粒 子可 以做 成核 剂 , 以提 高 复合 材 料 的结 晶度 , .倍 可  
LP D E填 充铜粉 热稳 定性 比未 填 充 的提高 ; 填充较 低 含量 的铜 粉 时 , L P 在 L D E便 显 示 较好 的 热稳 定 性 。通 

常 同未 填充 的高 聚物相 比 , 此类 复 合材料 的机械性 能较差 ( 模量 外 ) 热 传导 和 电传导 性能 提 高 。 除 ,   在无 机非 金属 中石 墨 的热导 率较 高 , 一般 为 16~2 5 ( K) 接 近 金 属 。 中科 院广 州 能 源 研 究 所  1 3 W/m? , 进行 的高导 热纳 米混合 材 料 的研究  , 从石 墨嵌 入化 合物 与 聚合 物混 合体 系人 手 , 而发展 至 二硫 化 物/ 继  

聚合 物 混合 至分 子化合 物 系统 , 进行 了系列 理论 和实 验研 究 。 为 了提 高这 种能 保持 形状 的 相变 复 合 材 料 
的导热 性 , 其 中混 杂 3 w) 或 5 w) 的膨胀 石 墨 , 在 %( t( %( t ) 由于膨 胀石 墨 的加 入 , 别是 加入 时控 制 了石 墨  特

网状 结 构时 , 使量 只有 3 w) 导热率 都 比未形 成 网 的石 墨( %( t ) 入 的高 一倍 以上 。 即 %( t, 5 w )混  
3 2 绝 缘 型 导 热 塑 料  .

由于 电子产 品越 来越 趋于 小 型化 , 因此 那些 容 易 集成 化 和 小 型 化 而且 柔 韧 性 好 的 聚酰 胺 、 聚酯 塑 料  基板 被 广泛 应用 , 因为集 成 电路 的高 集成 化 和层板 的 多层 化 必 然 产生 放 热 问 题 , 此对 这些 材 料 的 导  但 因 热 性 能的要 求就 成 了当 务之急 。而在 电子 工业 中 , 大多 数 电子材 料要 求较 高 的 电绝缘性 能 。因 此要 求 这  些材 料不 仅具 有 良好 的导热 性 能 而且 同时 具有 电绝缘 性 能 。 近年 来 人 们用 非 导 电性 的 金属 氧 化 物 和 其  它 化合 物填 充 聚合物 , 已初 步 解决 了这 一 问题  。用 于绝 缘 型 导 热 塑料 的填 料 主要 包 括 : 属 氧 化 物 如  金 BO, O, 1   C O, i 金 属 氮化 物 如 A N, N等 ; 化物 如 SC BC e Mg A  , a NO; O 1 B 碳 i ,   等 。从 表 2中可 以看 出 , 们 有  它 较 高 的导热 系数 , 而且 更 为重要 的 是 同金属 粉相 比有 优异 的 电绝 缘性 , 此它 们 能 保证 最 终 制 品具 有 良 因  
好 的 电绝缘 性 , 这在 电子 电器 工业 中是 至关 重要 的。  

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日本科 学冶 金公 司与大 阪市工 业 研究 所 开发成 功 聚 苯硫 醚 高 导热 塑 料  。该 塑 料 同 一般 塑料 一 样  可 以注射成 型复 杂形 状 的制 品 , 降低 电子 设备 、 公 自动 化设 备 的发热 , 可 办 纺织 机 器动 作失 灵 。以 聚苯 硫  醚颗粒 和 高导热 的 陶瓷粉 末 为原 料 , 在 低 温 (0 先 20~2 0C) 融 成 合 金 粉 末 , 加 热 成 型 。该 塑 料 的 导  4o 熔 再 热 系数 比金 属钛 高 10倍 以上 。可 以用 于要 求 良好 放热 的半 导体 和激 光 制 品等 电 子领 域 和 家 电 、 公 设  0 办
备 等方 面 。   由 H t o和 S r u  发 表 的论 文 报 道 , 过 氮 化 硼填 充 苯 并恶 嗪 , 得到 了 3 .5 I 的导 热 系  au s aa t w 通 可 2 5 W/ K n

数 , 料的最 大 的体 积 比为 7 .%( 量 比 8 %) 填 85 重 8 。这 个格 外 高 的导 热 数值 源 于苯 并 恶 嗪 树 脂 和 氮 化 硼 
填料 突 出的导 热性能 。苯并恶 嗪 中双 酚 A 甲基 胺 基 团具有 很低 的 A阶粘性 , 可 以使 填 料 润湿 和 混合 。 一 它   这 种平 均尺 寸 为 2 5 m的填料 颗粒 是 氮化 硼片状 晶体 的 大 团聚体 , 的粒 度 呈 双 峰 分布 , 有 助 于 提 高  2, u 它 这
颗 粒 的堆积 密度 。  

林 晓丹 等  通过 聚苯 硫 醚与 大颗 粒 氧化镁 ( 0 35目) 4 ,2 混合 经 双螺 杆 挤 出 机挤 出造 粒 制 备 了导热 绝 
缘 塑料 , 研究 了导热性 能 与氧 化镁 填 充量 的关 系 。实 验 发 现 : 热扩 散 系数 和热 导率 随氧 化 镁 的 填 充量 的  增 加 而增加 ; 高热 导率 达到 34 ( K)此 样 品仍 然可 注射 成 型 , 最 .W/ m? , 且具 有 良好 的机 械性 能 。  
电封 装 材 料 要 求 导 热 、 缘 并 具 有 较 低 的介 电常 数 、 绝 良好 的热 传 导 性 能 和 低 的 热 膨 胀 系 数  ‘ ”   。  

此 类材 料 是导 热 高 分子 材料 较 大 的应 用 市 场 。为 了获得 以上性 能 的 复合 材 料 , u等  用 AN晶须 (   X 1 和/

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20 0 7年 7月  

或 粒子 ) SC晶须 做填 料 , 和 i 聚偏 二 氟 乙烯 或 环 氧树 脂 作 基 体 , 1 AN晶 须 和 A N粒 子 ( / 总 的填 充 体 积  1 7 m) z 为 6%, 0 获得最 高 的 l . 导率 w/m ) AN晶须 和 A N粒 子 比率是 l2 . 。x 15热 ( K ,1 1 :5 7 u还研 究 了填 料 的混 杂 

效应 和偶 联剂 对 复合 材料 导热 性 能 的影 响 。用 适 当 比率 的 AN晶须 和 AN粒 子混 合 ,t 1 1 t单独 用 品须 和粒 
子赋 予 复合材 料 较高 热导 率 和较 低 的热膨 胀 系数 。通 过用 硅 烷 表 面处 理 , 1 AN粒 子增 强 的环 氧树脂 复 合 

材料 的热 导率 提 高达 9 % , 7 热导 率提 高是 由于 通 过 改进 基 体 和 粒 子 的界 面 , 料一 体 的接 触 电阻 减小 。 填 基   硅烷 处 理 的 AN粒 子 6 % ( 积 比) 环氧基 体 复合材 料 的热 导率 达 l .W/m K) 1 0 体 , 10 (   。   L 等 : 各 种不 同形 状 和尺 寸 的填料 单独 使用 和 混合 使用 提 高 聚合 物 基 的热 传 导能 力 , 料包 括  e 用 填 氮化 铝 、 硅石 、 化硅 晶须 和氮化 硼 。发现 用混 合 填料 提 高复 合材 料 的热导 率更 有效 , 于 给定 的 填料  钙 碳 对 用较 大 的粒 子和 表 面处 理 剂可 以使 复合 材料 的热导 率提 高 , 填料 的表面处 理 还可 以得 到低 的 热膨 胀 系数 
的 复合材 料 。  
3 3 导 热 塑 料 研 究 的 最 新 进 展  .

日本东 丽 日前 开发成 功 了导热 率 高达 2 W/ K的热 塑性 树 脂  。该 技术 利 用 独 特 的分 子 设 计 , 5 m? 提 

高 了热 塑性 塑料 和填 料之 间分 子 的相 互作 用力 , 料 相 互 之 间 的高 效 率接 触 形 成 了热量 通 道 , 填 大幅 度提 
到 了导热 率 。 以前进 行 的各种 导热 率 的开 发 , 改 善 的极 限 是 一 般 塑料 的 l 但 0~2 5倍 ( 2~5 m? 塑料  w/ K, 的导热 系数 为 0 1 .W/ K) . ~03 m? 。该 材料有 望 成 为激 光头 及设 备 内部元 件 壳等 金属 部件 的替 代 品 。东丽  计 划在 1 内投产 。此 次 开发 的树 脂通 过采 用 致 密 的填 充 方 法 , 现 了像 陶瓷 一 样 的外 形 稳 定 性 , 膨  年 实 线
胀率 可 达 8 p /   pm  ̄ C。 1经 B 3 P社 2 0 0 6年 2月 2 3号报 道  , 本 保力 马 科 技公 司( o m t h 在 1前举 办 的 国 际纳 米科 技  3 1 Pl a c) 3 y e

综合 展“ a ot h 06 上宣 布 , nn  c20 ” e 通过 向高分 子施 加强 磁 场 , 以纳 米水 平上 沿 磁 场 方 面进 行 配 向 控 制 , 成功  开发 出了导热 率 高达 2 0×1—/ K的 高分 子 薄 膜 。纤 维 领域 已有 类 似 的先例 , 06 m? 但在 高 分 子 薄 膜 中则 是  首次 达 到这 么高 的导热 率 。该 公 司认 为可望 用 于正受 困于发 热量 问题 的半导 体封 装材 料 。  

4 结 语   

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传导 性 高分 子材 料 的市场 需求 每年 都在 增 长 , 中导热 塑料 的 市场需 求 量增长 更快 。因 此对 塑 料导  其 热性 能 的研究 已引起各 国研 究 者 的兴趣 , 已作 了很 好 的工作 。导热 高分 子 的数学 模 型取 得 了很 大 的进  并 步 , 算误 差 和实 际误差 逐 步缩小 , 计 尤其 用计 算机 模 拟 采用 分 子 动 力 学 方 法研 究 导 热 系数 为 导 热 材料 的  研 究起 到较 大 的推 动作 用 。但 导 热 塑料不 如导 电塑 料 材 料研 究 深 入 , 论 研究 有待 突 破 , 理 目前 填充 性 导  热塑 料 的研 究 , 大部 分采 用 物理 填充 的方 法 , 导热 性 能 不 高 , 械性 能下 降 严 重 , 热 系数 预 测 理论 局 限  机 导 于经验 模 拟 , 乏导 热机 理 的理论 支 持 。但 随着 1益 扩 大 的 市场 和研 究 的深入 , 热 塑料 将 有 一个 大 的  缺 3 导 发展 , 尤其 是纳 米导 热材 料 的研究 和开发 , 导热本 体 聚合 物材 料 的制 备 , 高 聚合 物导 热机 理 的探 讨 应成 为 
导 热 高分子 材 料 的研 究 方 向 。  

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参考文献 :  
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[ ] H si Z hr m nS J^ pe hs s 9 2 3 (O : I5~33 . I I aln .Stk a  . pldPvi .16 . 3 1 ) 3 2 1  i i c II  

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第 7期 

高 

分 

子 

通 

报 

【 2  S hln    P r sh G M. h s h m E r A , 0 1 2 :3 2 6 1 』 c iigF R. at c     P y C e   at l z   h( ) 2 0 ,6 2 9— 4 .   1 3  A a Y Y,U oTJ JA p P l   i 9 5 3 :2 5 1  J gr     n     .   p l o m S ,18 ,0 2 2 .   y C  

[4 WogCP ol p l R S   pl o  c,99 7 (4 :39 1] n   ,B lm ay   JA p Pl Si19 , 4 1 ) 36—30 . a l     y 43   [5 李 侃 社 , 琪 . 能 材 料 ,0 2 3 () 16一l4  1] 王 功 20 ,3 2 :3 4.
【 6  Bg     1  J i D M.A v P l   eh ,9 4 4 34 :5 —2 6  g d  o m T c n 1 8 , ( - ) 2 5 6 . y

1 7  N ri M, r atv  , c o d k  e a.S n e c M tl, 0 0, 1 ( - ) 2 l  J ak   Si s aS T h u ao R,t 1 y t t   e s 2 0 1 3 12 :9~3   s v a   hi a 4 【 8  C e hK,F r t M, i o  S nh t   t s 19 ,0 ( - ) 13 1  J ha   os h y   Sm n G. y te cMe ,9 9 1 2 13 :2 2~1 3 . i l a 23  

[9 Jnei .ora o Al sadC m on s20 ,8 (-)6 —6 . 1 ] ai   Jun  f ly n o pud,04 32 12 :1 7  kJ l   o
[0 L y A S Mo f JA, rmpH.P l   e r   t , 0 6 9 ( ) 6 9~13 . 2 ] ut   , l     e   Ku   i o m D g d S b 2 0 , 17 :1 2 y a a 6 6  [ 1 w w. i .c e /i / e ./ e . . 5 hm 1 k  2 ] w g c a . ng c i m 1i m j 0 . t -4 . e e t t z

[2  功 珍 . 料 .0 4 3( )9 9 . 2] 塑 20 ,3 5 :7— 7 
f 3 I iaH.Srw t 2 } s d  h aa u R.T em c i e   c .1 9 , 2 (   h r o h aA t 9 8 3 0 1~2 :17~1 6  mi a ) 7 8.

[4 林 晓丹 , 2] 曾幸 荣 , 金 柱 , . 料 工业 ,063 ( )6 张 等 塑 20 ,4 3 :5~6 . 7  [5 x    ,C ugD D L C tl nM. o pse PrA,20 ,2 1) 79~15 . 2 ] uYS hn     , a e   C m ois at he t    0 13 (2 :14 77   [6 LeG W,Pr M. o pse PrA,20 ,3 () 7 7 3 . 2 ] e   a   C m is a  k o t  t 06 7 5 : 2 ~74 

[7  无 名 .国外 塑料 .0 52 ( )8 ~8 . 2] 20 ,3 3 :l 1  
[ 8  w w.l .hn i o gv c / a /0 6 2 120 0 2 -2 2 4 h   2 j w pa c i n .o .nd t 2 0 0 /-0 6 2 3 19 4 . t n af a m.

S u y a d Ap l a i n o   t d   n   p i to   f The m a   n u tv   a tc c r lCo d c i e Pl si  
L  i IL .W ANG  e g g o Ch n - u  

( col fM t i s i c a d E gne n .S a d n   n e i ,^Mn 2 0 6 ,C i   Sho  ae a   e e n   n i r g h no U i r t o rl S n   c ei g v sy   5 0 1 hn a)

Ab t a t Ast e ce c   r ge s, t e a p iain ae s o h r lc n u tv   lsi  e o   r  n  mo e sr c :  h  s in e p r s o h   p lc t   r a  f te ma  o d c ie p a t b c me mo e a d o c r  e tn ie.Es e ily,h   no ain id sre ,wh c   a e b e   v l pn   ioo sy i e e ty as,h s p vd d xe sv p cal t e if r t  n u t s m o i ih h v   e nde eo i g vg r u l n r c n  e r a   r ie   o
a n w de eo me ts a e frte t e a  o d cie p atc.I  h satce,t eh a  o d cin p p riso  o y r   e   v lp n  p c  o h  h r l c n u tv   lsi m n t i  ril h   e tc n u to   r e e  fp lme  o t

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mae a , mealc mae a  n   t   xd   o o n   r  o ta td, te h a  o d cin me h ns o   lme   n   tr i l t i  trl a d mea o ie c mp u d ae c n rse l i l h   e tc n u to   c a im  fp y ra d o
t e h a  o d cin mo e  utb e f rd f rn  l r  r  nrdu e h   e tc n u to   d ls i l    i e e tf l s ae it a o f i e o c d.Th   p r a h a d n w  e e r h tc n q e t  e a p c   n   e rs ac   e h i u  o o

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i r v  h  h r a  o d cie o  lsi  r  s u s d.T e a p iain rs ac   n  ae tp ge so   o -n u ain mp o e t e te l c n u tv   fp atca edic se m h   p l to  e e rh a d lts  r r s  n n n is lt   c o o a d i s lto  h r a  o d cie p a t   r  u n  n u ain te m lc n u t   l i ae s mma z d. S me p be   ft e a  o d cie pa tc a e p i td v s c i re o   r l ms o  h r l c n u tv   l i  r  one   o m s
o t h e a p ia in o h r a  o d cie pa t   r  r s e td. u .T   p l t   ft e l c n u tv   l i ae p p c e   c o m s c o Ke   r s: h r a  o d c ii y wo d T e l c n u t t P a t m v y; lsi C n u t n mo e ; Re e rh meh   c; o d ci   d l o s a c   to d

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