【干货】一文了解导热塑料的机理与填充改性方法

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随着电气电子集成技术迅速发展，电子元件、逻辑电路的体积成千上万倍地缩小，设备内产生的热量可能会导致设备的工作温度急剧增加，从而对设备的使用寿命和性能稳定性产生严重的负面影响，器件散热已成为一个突出问题，故高导热材料的制备日趋重要。

塑料以其优异的耐化学药品性、质量轻、便于成型加工、产品设计自由度高等特点，已经广泛应用于汽车、工业、电子电气、加热/冷却设备等领域。然而，塑料本身的导热率都很低，目前导热塑料仍以填充型导热塑料为主。

一

导热塑料有哪些类型？

1.合成型导热塑料

合成具有高导热系数的聚合物，如具有完整结晶、通过分子实现导热的聚合物。

2.填充型导热塑料

通过高导热填料粒子、纤维、层片等对聚合物进行填充。

填充型导热塑料又分为两类：

a.导热绝缘塑料

导热系数不高，1.5W/m.k 左右；

主要填料包括金属氧化物 Al2O3、MgO、SiO2，金属氮化物 AlN、Si3N4、BN及SiC 、B4C3等。

b.导热导电塑料

导热系数可以做到5.0W/m.k或更高；

主要填料包括金属粉/纤维、石墨、碳纤维、CNT、石墨烯等。

二

导热塑料的机理

研究表明，物体散热主要受到材料的热传导能力、辐射能力及空气和散热器界面的自然对流三个主要因素影响。金属由于导热系数大，自然而然成为散热材料的重要考虑，塑料由于其导热系数小，所以长时间以来未被看好。不过，随着复合材料技术的发展，有机复合材料的导热性能通过改性获得大幅的提升，并且较金属材料有着更优良热辐射能力，综合的散热效果也逐步能够与金属材料媲美，并体现出更好的经济适用性。

材料导热系数与温差相关。在导热系数小于5时，属于热传导受限的情况，这种情况下导热系数很小的变化都会造温度差很大的变化。常规的塑料导热系数都在1以下，所以如果用于散热系统将导致结温的迅速上升。然而，在导热系数大于5时，甚至达到10以上时，散热则转变为由对流主导、属对流受限情况，尤其是当散热材料厚度在5mm及以下的情况下，导热系数对温度差的影响趋近于0，材料的导热系数对芯片结温的影响大幅减小。

此外，散热器的功能除了要能快速地把热量从发热源传导出到散热器的表面，最后还是要靠对流和辐射把热量转移到空气中。虽然金属本身的导热能力比塑料好，但是灯具外壳散热器的主要目的是把热量散发到空气中。导热系数高，只解决了热传导的问题，而散热则主要由散热面积、散热界面形状、自然对流和热辐射的能力决定，这些几乎和材料的导热无关。

所以有机塑料只要具备了一定大小的热传导能力，加上较好的热辐射能力，同样可以成为良好的散热解决方案。也就是说，如果热量从热源到塑料散热器表面的距离小于5mm，那么只要散热器材料的导热系数大于5时，有机塑料在散热能力方面较金属材料的差别也就不再那么显著，使得实现金属替代成为可能。

金属填料的导热机理

金属填料的导热主要是靠电子运动进行导热，电子运动的过程伴随着热量的传递。

非金属填料的导热机理

非金属填料导热主要依靠分子导热，其热能扩散速率主要取决于邻近原子或结合基团的振动。包括金属氧化物、金属氮化物以及碳化物。

三

导热填充塑料的改性方法

导热塑料主要成分包括基体材料和填料；基体材料包括PPS、PA6/PA66、LCP、TPE、PC、PP、PPA、PEEK等；填料包括AlN、SiC、Al2O3、石墨、纤维状高导热碳粉、鳞片状高导热碳粉等。

应用于填充型导热塑料的导热填料按照其导电性可分为绝缘导热填料及非绝缘导热填料。其中，绝缘导热填料主要包括氧化物、氮化物和碳化物填料；而非绝缘导热填料主要包括各类金属粉末及石墨、炭黑等。

填料种类

金属粉末填料：铜粉、铝粉、铁粉、锡粉、镍粉等。

金属氧化物：氧化铝、氧化铋、氧化铍、氧化镁、氧化锌。

金属氮化物：氮化铝、氮化硼、氮化硅。

无机非金属：石墨、碳化硅、碳纤维、碳纳米管、石墨烯、碳化铍等。

导热塑料的散热情况

1.氮化物

氮化物通常具有导热系数高、耐高温、电绝缘性能好等优点，可在不降低材料电绝缘性能的情况下提高塑料的导热系数，但其缺点是价格偏高，限制了它在塑料中的广泛应用。被用做导热填料的氮化物主要有氮化硼（BN）、氮化硅（Si3N4）以及氮化铝（AlN）等，它们的导热系数可达200～300 W／（m·K）。

2.碳化物

碳化硅可分为六方晶系（α-SiC）和立方晶系（β-SiC），其导热系数为80~120 W／（m·K），是性能优良的导热填料，同时还具有耐高温、高模量、抗氧化性好等优点，被应用于微电子封装材料中。碳化硼（B4C）也是一种耐高温材料，具有极高的硬度与导热系数，但昂贵的价格导致其在导热塑料中的应用较少。

3.氧化物

氧化物填料主要包括氧化铝（Al2O3）、氧化锌（ZnO）及氧化镁（MgO）等，虽然它们的导热系数不如氮化物与碳化物的高，一般在30~50 W／（m·K）之间，但也远高于聚合物基体，并且电绝缘性能优良，特别是其来源广泛，价格低廉，具有市场竞争力，是制备绝缘导热塑料的常用填料。

4.金属粉末

通常金属粉末都具有极高的导热系数，可达100~400W/（m·K），是良好的导热填料，但由于金属系填料的传热方式为电子导热，电绝缘性能差，因而限制了其在电绝缘性要求严格的电子工业领域中的应用。

5.新型碳材料

石墨、碳纳米管、金刚石等新型碳材料也具有极高的导热系数，碳纳米管与金刚石的导热系数可达1000W/（m·K）以上，但由于其成本极其昂贵，还未被大规模使用，并且碳系填料的加入通常会使制品的颜色变黑，在浅色制品应用中会受到限制。

四

改性影响因素分析

1.填料填充量的影响

导热填料的填充量与复合材料的导热性密切相关。当填料含量较低时，无法形成有效的导热网络，对材料导热性的改善效果不明显。随着填料含量的增加，材料内部开始形成并完善导热网络，从而大幅提高材料的导热系数。

当然，导热材料的添加量不是越大越好，添加量存在一个临界值，在临界值之下，导热材料形成不了导热网络，导热系数增加很慢；达到临界值时，导热材料网络形成，导热系数突然增加；超过临界值后，导热系数增加缓慢；因此，最佳添加量为最大临界值。通常在在PA,PP,PES中，添加一部分的氧化镁，能大大改善塑料的导热性，也使得氧化镁在导热塑料的应用方面展现了突出的使用效果。

2.填料形状尺寸的影响

导热填料的形状影响导热网络的形成，从而影响材料的导热性。当只有单一填料时，提高填料的长径比可以促进填料之间的相互接触，有利于形成连续的导热网络。此外，按一定比例同时添加长径比大的和长径比小的导热填料比单一填料更能提高复合材料的导热系数；向大粒径填料中复配少量小粒径同种或异种填料也可以较好地提高复合材料的导热系数。

3.导热填料表面处理

导热填料与树脂基体间的界面相容性很差，这不仅影响材料的导热性能，还影响材料的力学性能。用偶联剂处理不仅可以有效地去除两者间的界面缺陷，还可以改善填料的分布状况，从而提高材料的导热系数和力学性能。但是，过量的偶联剂也会在导热填料和树脂基体间形成“壁垒”，阻碍热量传递，从而降低材料的导热系数。

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