導(dǎo)熱機(jī)理

　　導(dǎo)熱填料從形態(tài)上主要分為不規(guī)則顆粒、類球形、球形、片狀、纖維狀等，其形態(tài)對(duì)導(dǎo)熱性能影響重大，規(guī)則形態(tài)利于填充時(shí)的空間堆積，可以提高導(dǎo)熱性能。

　　根據(jù)物質(zhì)導(dǎo)熱時(shí)載體的不同，導(dǎo)熱類型主要可分為聲子導(dǎo)熱、電子導(dǎo)熱和光子導(dǎo)熱，其中聲子導(dǎo)熱主要通過(guò)晶體振動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于沒(méi)有自由電子的聚合物而言，聲子導(dǎo)熱是其主要導(dǎo)熱方式，但是由于很多聚合物鏈的無(wú)規(guī)則纏繞致使其結(jié)晶度較低，基本靠基團(tuán)和鏈節(jié)的振動(dòng)，又因?yàn)榉肿渔溦駝?dòng)時(shí)對(duì)聲子的散射作用使聚合物熱導(dǎo)率較低，因此需要熱導(dǎo)率較高的導(dǎo)熱填料進(jìn)行填充。

　　填料在基體中能否相互搭接形成有效導(dǎo)熱通路是復(fù)合材料導(dǎo)熱性能優(yōu)良與否的關(guān)鍵，球粒狀填料的搭接主要靠提高填料比例，使其互相接觸；而片狀填料由于擁有較高的徑厚比，有效搭接面積較大，有利于熱量的傳導(dǎo)；纖維狀填料由于具有很高的長(zhǎng)徑比，使其更容易搭接從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱作用，此外，由于其特殊的結(jié)構(gòu)，在提高力學(xué)性能方面也有其優(yōu)勢(shì)。

　　不同形態(tài)的導(dǎo)熱填料應(yīng)用研究

　　填料的形狀對(duì)其在基體中的分布狀況、所得復(fù)合材料的熱學(xué)性能、力學(xué)性能等都具有影響。分散在高分子基體中的導(dǎo)熱填料有粒狀、片狀、纖維狀等形態(tài)。

　　1 粒狀填料

　　粒狀填料具有很高的理論堆積密度，可以增加填料之間的接觸點(diǎn)，使制備的復(fù)合材料擁有良好導(dǎo)熱性能。涂春潮等以粒狀氮化硼為填料制備了導(dǎo)熱絕緣硅橡膠。研究了氮化硼的用量、粒徑等對(duì)甲基乙烯基硅橡膠的導(dǎo)熱性能的影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)鸬目傆昧繛?50份時(shí)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率可達(dá)2.5W/(m·K)，拉伸強(qiáng)度為1.19MPa，具有較好的綜合性能。

　　氮化鋁是原子晶體，具有低膨脹系數(shù)，高硬度和高熱導(dǎo)率。蔚永強(qiáng)等應(yīng)用雙粒度氮化鋁混合填充環(huán)氧樹(shù)脂，研究了氮化鋁顆粒的添加量、級(jí)配填充對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)粒徑20μm與3μm質(zhì)量比為4/6，填充量為60%，熱導(dǎo)率達(dá)1.373W/(m·K)，比其他同類型產(chǎn)品熱導(dǎo)率提高了30%。

　　氮化硅電絕緣性優(yōu)良，熱導(dǎo)率高達(dá)180W/(m·K)，強(qiáng)度較高。He等用熱壓成型法制備了環(huán)氧樹(shù)脂粉末和氮化硅的導(dǎo)熱復(fù)合材料，在填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為30%時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂粒徑為2mm時(shí)，材料熱導(dǎo)率即可達(dá)1.8W/(m·K)，導(dǎo)熱粒子環(huán)繞在環(huán)氧樹(shù)脂粉末周圍，降低了界面熱阻。此外，材料具有較低的介電常數(shù)和損耗。

　　2 片狀填料

　　片狀填料一般具有較高的比表面積，分布在聚合物基體中更容易形成聲子導(dǎo)熱通道，有利于導(dǎo)熱性能的提高。Hatsuo研究了氮化硼/聚苯并噁嗪復(fù)合材料，當(dāng)填料填充量(體積分?jǐn)?shù))達(dá)到78.5%時(shí)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率達(dá)到了32.5W/(m·K)。填料之所以能夠?qū)崿F(xiàn)高填充，重要的一個(gè)原因就是選用的填料為鱗片狀的氮化硼，本身的熱導(dǎo)率較高且具有良好的潤(rùn)濕性，容易進(jìn)行大量填充。

　　于偉等采用了機(jī)械共混方法制備了均一的含石墨烯納米片尼龍6復(fù)合材料，并對(duì)其熱物性參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量。研究表明，石墨烯納米片可大幅度提髙復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。在石墨烯納米片體積分?jǐn)?shù)僅為1%時(shí)，熱導(dǎo)率提高42.6%，體積分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時(shí)，復(fù)合體系熱導(dǎo)率達(dá)到4.11W/(m·K)，提高了15倍以上。

　　片狀氧化鋁是一種新型特種氧化鋁，具有六角形片狀的結(jié)構(gòu)特征，擁有較大的徑厚比。這些特征使其保持氧化鋁的優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上，還獲得了表面活性、優(yōu)良的附著性及***的屏蔽效應(yīng)等性能。馮亁軍等研究了Al2O3形態(tài)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響，不同形態(tài)的Al2O3的導(dǎo)熱行為有很大的不同，在填充量?jī)H為15%時(shí)，片狀A(yù)l2O3復(fù)合材料的熱導(dǎo)率高達(dá)0.962W/(m·K)，比較顆粒狀A(yù)l2O3填料提高了127%。在片狀A(yù)l2O3填充量為30%時(shí)，復(fù)合材料熱導(dǎo)率可達(dá)1.52W/(m·K)。

　　3 纖維狀填料

　　纖維狀填料主要有碳納米管、碳纖維、碳化硅晶須、玻璃纖維等。填料的長(zhǎng)徑比越高、填充量越大，則填料之間越容易相互接觸而在基體中形成連續(xù)的導(dǎo)熱通路，從而提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，此外纖維狀填料由于其結(jié)構(gòu)上的特別性，還可有效降低由于填料增多而導(dǎo)致的力學(xué)性能急劇下降。

　　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(dǎo)率，在復(fù)合材料中少量添加就可明顯改善熱導(dǎo)率。提高碳納米管/導(dǎo)熱硅脂的熱導(dǎo)率，對(duì)碳納米管進(jìn)行了酸化和酯化處理，研究顯示：酯化處理對(duì)碳納米管在導(dǎo)熱硅脂中的分散有促進(jìn)作用從而促進(jìn)導(dǎo)熱通路的構(gòu)成，同時(shí)也可降低二者界面之間的接觸熱阻，從而提高導(dǎo)熱硅脂的熱導(dǎo)率。當(dāng)碳納米管填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，熱導(dǎo)率高。

　　碳纖維是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料，普遍具有質(zhì)輕、高模量、耐腐蝕和良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱等特點(diǎn)。通過(guò)澆注工藝制備了短切碳纖維/AlN/環(huán)氧樹(shù)脂導(dǎo)熱復(fù)合材料，并研究了導(dǎo)熱復(fù)合材料的熱、電和力學(xué)等性能。當(dāng)不添加碳纖維時(shí)，材料熱導(dǎo)率為1.14 W/(m·K)，當(dāng)加入的碳纖維體積僅為1.8%時(shí)，熱導(dǎo)率提高到1.45W/(m·K)。此外，碳纖維的加入分別提高了彎曲強(qiáng)度和模量，而電阻率下降了3個(gè)數(shù)量級(jí)，但體積電阻率和表面電阻率仍能達(dá)到1012Ω·m和1010Ω，仍能滿足絕緣條件下使用。

　　碳化硅晶須是一種晶格缺陷少并有長(zhǎng)徑比的單晶纖維，具有相當(dāng)好的導(dǎo)熱性能、優(yōu)良的力學(xué)性能和抗高溫性能。以聚丙烯為基體，碳化硅顆粒和碳化硅晶須為導(dǎo)熱填料，利用共混/模壓分別制備了兩種填料單一填充和復(fù)合填充的導(dǎo)熱復(fù)合材料，在相同填充量時(shí)，晶須填充總是比顆粒填充的復(fù)合材料熱導(dǎo)率高，在填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，前者比后者熱導(dǎo)率高20%以上且具有更優(yōu)良的力學(xué)性能。

　　結(jié)語(yǔ)

　　不同形狀導(dǎo)熱填料對(duì)導(dǎo)熱復(fù)合材料有重大的影響，其中片狀和纖維狀填料由于擁有較高的徑厚比和長(zhǎng)徑比，相比粒狀填料擁有較優(yōu)良的導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能，而與其他填料復(fù)配使用更能改善熱導(dǎo)率及力學(xué)性能。

　　但是尚存在許多需要改善和研究的問(wèn)題:(1)隨著填料的增加復(fù)合材料力學(xué)性能普遍先升高后下降，在高填充量時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能較低，對(duì)材料的穩(wěn)定性和使用期限有嚴(yán)重制約；(2)如何在降低填充量情況下保障高熱導(dǎo)率；(3)不同形狀填料之間復(fù)配對(duì)提高導(dǎo)熱性能的影響；(4)表面處理和改性對(duì)界面熱阻的影響。

　　另外，針對(duì)上述粒狀、片狀和纖維狀的填料填充，人們分別提出了Maxwell-Eucken模型、Hatta模型、Springer-Tasi模型等進(jìn)行熱導(dǎo)率的預(yù)測(cè)模擬，但均與實(shí)際結(jié)果有較大差異，現(xiàn)有的導(dǎo)熱理論模型還有待于完善提高。