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填充型導熱塑料研究與應用進展
????????前言本文以導熱填料為主線，對金屬、金屬氧化物、氮化物、碳材料等功能填料改善塑料導熱性能的研究狀況進行綜述。此外，還介紹了填充復合型導熱塑料在LED 燈、管材和換熱器等領(lǐng)域的應用進展。
????????填料種類
????????1、金屬
????????金屬是熱的良導體，主要依靠自由電子實現(xiàn)熱傳導，其聲振效應所引起的熱傳導可忽略。
????????少量金屬加入基體中，便可大幅度提高復合材料的導熱和導電性能，在非絕緣場合占據(jù)重要位置。
????????2、金屬氧化物
????????金屬氧化物絕大多數(shù)為絕緣體，主要是靠聲子導熱機理實現(xiàn)熱傳導。與金屬相比，其氧化物熱導率雖然不高，但價格十分低廉，大量填充到聚合物中也可以達到理想的導熱效果。
????????常用的金屬氧化物填料：
?????????? Al2O3： 一種很常用的導熱填料，相對于聚合物材料具有較高的熱導率，較好的介電性能和相對低廉的價格。
?????????? MgO：相對于Al2O3，MgO在空氣中易吸潮，增黏性較強，不能大量填充，且耐酸性差，很容易被酸腐蝕，因此限制了其在酸性環(huán)境中的應用。但是，采用與熱導率較高的氮化物復配的方式，少量填充MgO，可以降低復合材料的成本。
????????在高粉體填充時，熔體黏度增大，加工較困難，ZnO 的增黏性較MgO 低，將其填充到尼龍(PA)6 中，制得的導熱塑料具有更高的熱導率和加工流動性。當改性后的ZnO 的體積分數(shù)為25% 時，復合材料的熱導率達到1.05 W/(m·K)。
????????3、氮化物
????????相對于金屬氧化物，金屬氮化物熱導率高、線膨脹系數(shù)低、耐高溫、電絕緣性好并具有較好的介電性能，廣泛用作電子陶瓷基板及導熱封裝材料，是一類很有潛力的導熱填料，但其缺點是價格較貴，這在一定程度上限制了它在導熱塑料中的應用。
????????常用的氮化物有氮化鋁(AlN)，BN 和氮化硅(Si3N4)，它們具有致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，少量的添加即可達到較高的熱導率。
????????4、碳材料
????????常見的碳材料主要有碳化硅(SiC) 和石墨，它們的熱導率高，價格相對低廉，是制備導熱材料的理想填料。
????????SiC 具有良好的熱穩(wěn)定性，硬度高，線膨脹系數(shù)低。
????????石墨的熱傳導載體為電子和聲子，兩者的協(xié)同作用使其具有很高的熱導率，與金屬最為接近。
????????由上述四類填料特性可見，不同種類的導熱填料各有優(yōu)缺點，對塑料導熱性能的改善效果也不盡相同。這就要求研究者充分了解各種填料的性能，并且根據(jù)自己的研究方向，選擇合適的導熱填料與基體進行填充，最終使導熱復合材料具有良好的綜合性能。
????????導熱塑料的應用 LED
????????導熱塑料可以替代金屬部件應用到LED 中，例如：燈座、冷卻散熱燈杯、外殼、散熱器、基板、反射器、插件等。
????????這不僅可以避免金屬在惡劣環(huán)境中容易發(fā)生腐蝕和結(jié)垢，使燈具過重、成型困難等問題，而且可使LED 的散熱均勻，減少零件因高溫造成變形，從而延長燈具的使用壽命，還能降低運輸、安裝的成本。
????????導熱管材
????????相對于鋼制、鐵制等金屬管材，塑料管材具有耐腐蝕性強、質(zhì)輕、衛(wèi)生安全、水流阻力小、對水質(zhì)PH 值無要求等優(yōu)點，在上下水管道、燃氣管道、地板采暖管道和地源熱泵等產(chǎn)業(yè)中廣泛應用。
????????但是，塑料的熱導率低，通過降低管道壁厚或增大管道長度和表面積的方法來提高導熱效率，會導致管道強度降低且增加成本。
????????計算知：若塑料管的熱導率 ≥ 1 W/(m·K)時，在地源熱泵系統(tǒng)中，導熱管比普通管單位管長的換熱能力在冬夏季制冷制熱工作下提高幅度均大于15%。因此，在換熱工程中，采用導熱塑料管具有更明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。
????????所以，提高塑料管材的熱導率，是節(jié)約樹脂、節(jié)約能源、降低成本的有效措施。
????????換熱器
????????換熱器是能源動力、石油化工、食品加工等行業(yè)的核心設備，在工業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位。
????????傳統(tǒng)的換熱器都是由純金屬和合金加工而成，它們易被腐蝕而加重了工業(yè)生產(chǎn)的危險性，也造成了嚴重的經(jīng)濟損失。
????????聚合物換熱器是用聚合物材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)金屬來制備的換熱器，受到越來越多研究者的重視。
????????石墨散熱片是一種新材料，它是通過石墨熱分解在高分子薄膜上形成一層石墨結(jié)晶層，既具有高的熱導率，又具有良好的柔軟性。實驗表明，石墨散熱片可以將熱量快速地傳遞和散熱，散熱效果是金屬銅(Cu)和鋁(Al)的兩倍以上。
????????其他方面
????????導熱塑料不僅可以應用在LED、導熱管材和換熱器中，因其具有優(yōu)異的力學性能和導熱性能更是航空航天領(lǐng)域必不可少的關(guān)鍵部件。特別是碳導熱材料更是最近幾年最具有前景的材料之一。
????????高超聲速飛行器長時間飛行駐點溫度高，需要高導熱材料及時對熱量進行轉(zhuǎn)移，從而增加飛行器的穩(wěn)定性;
????????空間飛行器的大面積薄板結(jié)構(gòu)、固體火箭發(fā)動機噴管等部位，也要求材料具有質(zhì)輕、熱導率高、力學性能良好等優(yōu)異的綜合性能;
????????另外，在大型計算機、筆記本電腦的CPU 及隨著民用電器裝置性能的不斷提高，元件密集度不斷提高，會使系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量驟增。
????????這些熱量若不能及時導出，電子器件的正常工作及系統(tǒng)的穩(wěn)定性就會受到嚴重影響。
????????結(jié)語
????????填充型導熱塑料的研究和應用很多，傳統(tǒng)的金屬填料已經(jīng)被金屬氧化物、氮化物和碳材料所取代，采用不同的方法與不同基體復配后在一定程度上都發(fā)揮了各自的優(yōu)勢，取得了一些成果。在LED 燈、導熱管材和換熱器以及其它應用中，導熱塑料起到了重要的作用。
????????目前，導熱塑料應用的行業(yè)越來越多，市場對于具有優(yōu)良力學性能和高導熱材料的需求也越來越大。
????????因此，開發(fā)新型導熱填料，探索不同種類填料對改善復合材料導熱性能以及應用領(lǐng)域應受到高度重視，并應及時解決，以滿足現(xiàn)代科學技術(shù)和國民發(fā)展的需要。
