隨著電氣電子集成技術(shù)迅速發(fā)展，電子元件、邏輯電路的體積成千上萬倍地縮小，設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生的熱量可能會導(dǎo)致設(shè)備的工作溫度急劇增加，從而對設(shè)備的使用壽命和性能穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響，器件散熱已成為一個突出問題，故高導(dǎo)熱材料的制備日趨重要。
塑料以其優(yōu)異的耐化學(xué)藥品性、質(zhì)量輕、便于成型加工、產(chǎn)品設(shè)計自由度高等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)、電子電氣、加熱/冷卻設(shè)備等領(lǐng)域。然而，塑料本身的導(dǎo)熱率都很低，目前導(dǎo)熱塑料仍以填充型導(dǎo)熱塑料為主。
一、導(dǎo)熱塑料有哪些類型？
1.合成型導(dǎo)熱塑料
合成具有高導(dǎo)熱系數(shù)的聚合物，如具有完整結(jié)晶、通過分子實現(xiàn)導(dǎo)熱的聚合物。
2.填充型導(dǎo)熱塑料
通過高導(dǎo)熱填料粒子、纖維、層片等對聚合物進(jìn)行填充。
填充型導(dǎo)熱塑料又分為兩類：
a.導(dǎo)熱絕緣塑料
導(dǎo)熱系數(shù)不高，1.5W/m.k 左右；
主要填料包括金屬氧化物 Al2O3、MgO、SiO2，金屬氮化物 AlN、Si3N4、BN及SiC 、B4C3等。
b.導(dǎo)熱導(dǎo)電塑料
導(dǎo)熱系數(shù)可以做到5.0W/m.k或更高；
主要填料包括金屬粉/纖維、石墨、碳纖維、CNT、石墨烯等。
二、導(dǎo)熱塑料的機(jī)理
研究表明，物體散熱主要受到材料的熱傳導(dǎo)能力、輻射能力及空氣和散熱器界面的自然對流三個主要因素影響。金屬由于導(dǎo)熱系數(shù)大，自然而然成為散熱材料的重要考慮，塑料由于其導(dǎo)熱系數(shù)小，所以長時間以來未被看好。不過，隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，有機(jī)復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能通過改性獲得大幅的提升，并且較金屬材料有著更優(yōu)良熱輻射能力，綜合的散熱效果也逐步能夠與金屬材料媲美，并體現(xiàn)出更好的經(jīng)濟(jì)適用性。
材料導(dǎo)熱系數(shù)與溫差相關(guān)。在導(dǎo)熱系數(shù)小于5時，屬于熱傳導(dǎo)受限的情況，這種情況下導(dǎo)熱系數(shù)很小的變化都會造溫度差很大的變化。常規(guī)的塑料導(dǎo)熱系數(shù)都在1以下，所以如果用于散熱系統(tǒng)將導(dǎo)致結(jié)溫的迅速上升。然而，在導(dǎo)熱系數(shù)大于5時，甚至達(dá)到10以上時，散熱則轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓪α髦鲗?dǎo)、屬對流受限情況，尤其是當(dāng)散熱材料厚度在5mm及以下的情況下，導(dǎo)熱系數(shù)對溫度差的影響趨近于0，材料的導(dǎo)熱系數(shù)對芯片結(jié)溫的影響大幅減小。
此外，散熱器的功能除了要能快速地把熱量從發(fā)熱源傳導(dǎo)出到散熱器的表面，最后還是要靠對流和輻射把熱量轉(zhuǎn)移到空氣中。雖然金屬本身的導(dǎo)熱能力比塑料好，但是燈具外殼散熱器的主要目的是把熱量散發(fā)到空氣中。導(dǎo)熱系數(shù)高，只解決了熱傳導(dǎo)的問題，而散熱則主要由散熱面積、散熱界面形狀、自然對流和熱輻射的能力決定，這些幾乎和材料的導(dǎo)熱無關(guān)。
所以有機(jī)塑料只要具備了一定大小的熱傳導(dǎo)能力，加上較好的熱輻射能力，同樣可以成為良好的散熱解決方案。也就是說，如果熱量從熱源到塑料散熱器表面的距離小于5mm，那么只要散熱器材料的導(dǎo)熱系數(shù)大于5時，有機(jī)塑料在散熱能力方面較金屬材料的差別也就不再那么顯著，使得實現(xiàn)金屬替代成為可能。
金屬填料的導(dǎo)熱機(jī)理
金屬填料的導(dǎo)熱主要是靠電子運(yùn)動進(jìn)行導(dǎo)熱，電子運(yùn)動的過程伴隨著熱量的傳遞。
非金屬填料的導(dǎo)熱機(jī)理
非金屬填料導(dǎo)熱主要依靠分子導(dǎo)熱，其熱能擴(kuò)散速率主要取決于鄰近原子或結(jié)合基團(tuán)的振動。包括金屬氧化物、金屬氮化物以及碳化物。
三、導(dǎo)熱填充塑料的改性方法
導(dǎo)熱塑料主要成分包括基體材料和填料；基體材料包括PPS、PA6/PA66、LCP、TPE、PC、PP、PPA、PEEK等；填料包括AlN、SiC、Al2O3、石墨、纖維狀高導(dǎo)熱碳粉、鱗片狀高導(dǎo)熱碳粉等。
應(yīng)用于填充型導(dǎo)熱塑料的導(dǎo)熱填料按照其導(dǎo)電性可分為絕緣導(dǎo)熱填料及非絕緣導(dǎo)熱填料。其中，絕緣導(dǎo)熱填料主要包括氧化物、氮化物和碳化物填料；而非絕緣導(dǎo)熱填料主要包括各類金屬粉末及石墨、炭黑等。
填料種類
金屬粉末填料：銅粉、鋁粉、鐵粉、錫粉、鎳粉等。
金屬氧化物：氧化鋁、氧化鉍、氧化鈹、氧化鎂、氧化鋅。
金屬氮化物：氮化鋁、氮化硼、氮化硅。
無機(jī)非金屬：石墨、碳化硅、碳纖維、碳納米管、石墨烯、碳化鈹?shù)取?/span>
導(dǎo)熱塑料的散熱情況
1.氮化物
氮化物通常具有導(dǎo)熱系數(shù)高、耐高溫、電絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)，可在不降低材料電絕緣性能的情況下提高塑料的導(dǎo)熱系數(shù)，但其缺點(diǎn)是價格偏高，限制了它在塑料中的廣泛應(yīng)用。被用做導(dǎo)熱填料的氮化物主要有氮化硼（BN）、氮化硅（Si3N4）以及氮化鋁（AlN）等，它們的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)200～300 W／（m·K）。
2.碳化物
碳化硅可分為六方晶系（α-SiC）和立方晶系（β-SiC），其導(dǎo)熱系數(shù)為80~120 W／（m·K），是性能優(yōu)良的導(dǎo)熱填料，同時還具有耐高溫、高模量、抗氧化性好等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于微電子封裝材料中。碳化硼（B4C）也是一種耐高溫材料，具有極高的硬度與導(dǎo)熱系數(shù)，但昂貴的價格導(dǎo)致其在導(dǎo)熱塑料中的應(yīng)用較少。
3.氧化物
氧化物填料主要包括氧化鋁（Al2O3）、氧化鋅（ZnO）及氧化鎂（MgO）等，雖然它們的導(dǎo)熱系數(shù)不如氮化物與碳化物的高，一般在30~50 W／（m·K）之間，但也遠(yuǎn)高于聚合物基體，并且電絕緣性能優(yōu)良，特別是其來源廣泛，價格低廉，具有市場競爭力，是制備絕緣導(dǎo)熱塑料的常用填料。
4.金屬粉末
通常金屬粉末都具有極高的導(dǎo)熱系數(shù)，可達(dá)100~400W/（m·K），是良好的導(dǎo)熱填料，但由于金屬系填料的傳熱方式為電子導(dǎo)熱，電絕緣性能差，因而限制了其在電絕緣性要求嚴(yán)格的電子工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。
5.新型碳材料
石墨、碳納米管、金剛石等新型碳材料也具有極高的導(dǎo)熱系數(shù)，碳納米管與金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)1000W/（m·K）以上，但由于其成本極其昂貴，還未被大規(guī)模使用，并且碳系填料的加入通常會使制品的顏色變黑，在淺色制品應(yīng)用中會受到限制。
四、改性影響因素分析
1.填料填充量的影響
導(dǎo)熱填料的填充量與復(fù)合材料的導(dǎo)熱性密切相關(guān)。當(dāng)填料含量較低時，無法形成有效的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，對材料導(dǎo)熱性的改善效果不明顯。隨著填料含量的增加，材料內(nèi)部開始形成并完善導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，從而大幅提高材料的導(dǎo)熱系數(shù)。
當(dāng)然，導(dǎo)熱材料的添加量不是越大越好，添加量存在一個臨界值，在臨界值之下，導(dǎo)熱材料形成不了導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)熱系數(shù)增加很慢；達(dá)到臨界值時，導(dǎo)熱材料網(wǎng)絡(luò)形成，導(dǎo)熱系數(shù)突然增加；超過臨界值后，導(dǎo)熱系數(shù)增加緩慢；因此，最佳添加量為最大臨界值。通常在在PA,PP,PES中，添加一部分的氧化鎂，能大大改善塑料的導(dǎo)熱性，也使得氧化鎂在導(dǎo)熱塑料的應(yīng)用方面展現(xiàn)了突出的使用效果。
2.填料形狀尺寸的影響
導(dǎo)熱填料的形狀影響導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的形成，從而影響材料的導(dǎo)熱性。當(dāng)只有單一填料時，提高填料的長徑比可以促進(jìn)填料之間的相互接觸，有利于形成連續(xù)的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。此外，按一定比例同時添加長徑比大的和長徑比小的導(dǎo)熱填料比單一填料更能提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)；向大粒徑填料中復(fù)配少量小粒徑同種或異種填料也可以較好地提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。
3.導(dǎo)熱填料表面處理
導(dǎo)熱填料與樹脂基體間的界面相容性很差，這不僅影響材料的導(dǎo)熱性能，還影響材料的力學(xué)性能。用偶聯(lián)劑處理不僅可以有效地去除兩者間的界面缺陷，還可以改善填料的分布狀況，從而提高材料的導(dǎo)熱系數(shù)和力學(xué)性能。但是，過量的偶聯(lián)劑也會在導(dǎo)熱填料和樹脂基體間形成“壁壘”，阻礙熱量傳遞，從而降低材料的導(dǎo)熱系數(shù)。
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