第2章　导热塑料的配方与应用

2.1　概述

导热塑料主要是指基材为通用塑料或工程塑料，氧化物、氮化物或碳为填料的复合材料。根据填料种类的不同，可以将导热塑料分为绝缘与非绝缘导热塑料两种。通常，塑料的热导率为0.2W/（m·K）左右，而导热塑料的热导率为1～20W/（m·K）。材料的传热速度与热导率有关，而材料的散热速度与散热器的形状、面积、对流及热辐射能力有关。导热塑料的热导率相比金属较低，但其热辐射能力较强。因此，导热塑料与金属材料的散热能力基本相同。表2-1是几种不同材料的热辐射系数。

表2-1　几种不同材料的热辐射系数

以往的导热散热材料都集中在金属材料的运用上，但金属材料在耐腐蚀性能和加工成型性能上都不及高分子材料有优势，而且许多需要导热材料的领域里对材料制品的生产周期和效率、使用寿命、精密加工、设计自由度都提出很高要求。在电子器件追求小型化、高频化、轻量化的今天，高分子导热聚合物借此成为导热材料领域的新秀，其应用领域也逐渐扩展，如换热工程、电子电气、摩擦材料、电磁屏蔽、汽车制造业等。

由于结构和散热机理的原因，高分子材料本身的热导率很低，散热效果差，表2-2为几种不同高分子材料在室温下（25℃）的热导率。所以要想使高分子材料在散热领域得到广泛运用，必须通过高分子改性、成型加工的方法赋予高分子材料良好的导热性能。

表2-2　几种不同高分子材料在室温下（25℃）的热导率

制备导热高分子材料的工艺主要有两种：本征型导热材料和填充型导热复合材料。第一种是本征型导热材料，是指通过机械加工的方法使材料的分子结构发生改变，从而得到相应材料。其结晶度完整，主要通过声子或电子导热。例如，采用湿法纺丝的工艺制备出纳米级别的PE纤维束，成型过程中在剪切、结晶、纳米尺寸的微扰和限制等因素的综合影响下，聚乙烯的分子链取得了高度取向，正是这种高度取向带来的结构上的变化使得聚乙烯纳米纤维具有很高的导热性能，热导率在室温下达到 20～25.6W/（m·K），并且发现其热导率随温度发生缓慢变化，聚乙烯纳米纤维的微观横截面如图2-1 所示。大部分本征导热高分子材料的研究还处于实验室阶段，通过改变聚合物材料内部本身的结构，如采用定向拉伸的方法，使分子链的取向排列，聚合物高度取向化的过程工艺一般来说比较复杂和烦琐，不利于工业化的生产，限制了本征导热高分子的应用。但本征高分子材料的研究有利于深入了解高分子材料的内部结构和导热机理，因此仍然具有广阔的研究价值和发展前景。

图2-1　高密度聚乙烯纳米纤维横截面及剖面

第二种是填充型导热复合材料，即以高分子树脂为基体，将导热填料加入到基体树脂中制得的复合材料。本征型导热复合材料由于具有高的结晶取向度，使得材料的加工难度较大。而填充型导热复合材料的加工工艺简单并且成本低，应用范围较广。根据使用填料的不同，填充型导热塑料主要分为三类：金属材料填充型导热塑料、无机材料填充型导热塑料以及导电有机物填充型导热塑料。填充型导热塑料的影响因素主要有树脂基体、导热填料和两者之间的界面。因此，为了提高材料的热导率，应从几个方面改善填充型导热塑料的热导率。

第一，高分子材料的导热性能较差，而某些无机填料具有良好的导热性能，通过向高分子材料中添加导热无机填料如BN、Al2O3、MgO等导热填料，来改善导热塑料的热导率。相比碳材料和金属材料最大的优势是它们的绝缘性能，而在电子设备和集成化中使用的导热材料必须具有一定的绝缘性能。所以，目前无机导热材料在信息产业领域中工业化应用最广。

第二，对于填充型导热塑料，可以通过增加填料填充量、不同粒径填料复配、添加纤维等方式，在其内部形成更多的热通道，从而改善导热塑料的热导率。

第三，尽量减少基体与填料之间的表面热阻是提高填充型导热塑料热导率的另一有效途径。主要通过以下几种方式达到上述目的。①对于同一种类的填料粒子，应尽量选择粒径较大的导热填料，当填料的填充量相同时，相比小粒径填料，大粒径的填料拥有相对少的数量，因而可尽量减少基体与填料粒子间的热接触点，减小材料的界面热阻；②对于不同种类的基体材料，应尽量选择黏度较低的基体材料。制备过程中黏度低的树脂可以使填料粒子间的树脂减少，则树脂基体产生的热阻也会随之减少，填料与基体之间的结合增强，减小界面热阻；③填料粒子表面预处理。对导热粒子表面进行改性，从而提高其润湿性能，使其更加均匀地分布在树脂中，减小其与树脂界面间的热阻。