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填料颗粒形貌及其对聚合物基导热复合材料的影响
2018月06月09日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:222
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聚合物基导热复合材料具有耐腐蚀质轻等优点,在航空航天微电子包装换热工程化学工程和太阳能利用等领域有着广泛的应用(见下表)。其制备方法已成为研究的热点之一。

 

聚合物基导热材料在工业中的应用



LED导热塑料灯座,我想这应该算是我们生活中最常见的导热塑料


今天小编将从导热填料颗粒形貌的角度为大家简单分析导热填料对复合材料的影响。


一、填料形态

                                

导热填料从形态上主要分为不规则颗粒、类球形球形片状纤维状等,其形态对导热性能影响重大。填料在基体中能否相互搭接形成有效导热通路是复合材料导热性能优异与否的关键。


球粒状填料流动性好,在聚合物中填充性好,其搭接主要靠提高填料比例,使其互相接触实现;;而片状填料由于拥有较高的径厚比,有效搭接面积较大,有利于热量的传导;纤维状填料由于具有极高的长径比,使其更容易搭接从而实现导热作用,此外,由于其特殊的结构,在提高力学性能方面也有其独特的优势。


二、几种不同形貌的填料简析


1、球形填料填充导热复合材料

球形导热填料主要分为金属粒子和无机导热粒子等。其中金属粒子主要应用于无绝缘要求的导热材料,填料通常有金、银、铜、锌、铝及其合金等;而无机导热粒子多用于制备绝缘导热复合材料,主要有氧化物、氮化物等。


在无机导热粒子中,氧化镁为白色或淡黄色粉末,耐火性良好。氮化铝是原子晶体,具有低膨胀系数,高强度、高硬度和高热导率。氮化硅电绝缘性优异,热导率高达180W/(mK),强度较高。

氮化硅粉


2、片状填料填充导热复合材料

根据导电性质,片状填料主要可以分为导电导热填料和绝缘导热填料两大类。应用较广的片状导电导热填料有片铝、片银、鳞片石墨、石墨烯,而常用的绝缘导热填料有六方氮化硼( H-BN) 、片状Al2O3、片状MgO 等。


鳞片石墨是以电子、声子双重机理传递热量,有研究表明,在相同填充量下,粒径小的鳞片石墨量越多,取向度越高,越容易形成导热通路,提高热导率,但粒径过小会导致填料分散不均造成团聚影响导热效果。


六方氮化硼为石墨型晶格,俗称白色石墨,质轻难溶耐高温。有研究人员,李以聚砜为基体,六方片状氮化硼为导热填料,使用双辊开炼机在高温熔融共混,在填充质量分数为50%时,其热导率可达到2. 336 W/( m·K)


片状氧化铝是一种新型特种氧化铝,具有六角形片状的结构特征,拥有较大的径厚比。这些特征使其保持氧化铝的优良性能的基础上,还获得了一定的表面活性、优良的附着性及极好的屏蔽效应等性能。有研究表明,不同形态的Al2O3的导热行为有很大的不同,在填充量仅为15%时,片状Al2O3复合材料的热导率高达0. 962 W/( m·K) ,比较颗粒状Al2O3填料提高了127%。在片状Al2O3填充量为30%时,复合材料热导率可达1. 52 W/( m·K)

片状氧化铝电镜图


3、纤维状填料填充导热复合材料

纤维状填料主要有碳纳米管碳纤维碳化硅晶须玻璃纤维等填料的长径比越高填充量越大,则填料之间越容易相互接触而在基体中形成连续的导热通路,从而提高复合材料的热导率,此外纤维状填料由于其结构上的独特性,还可有效降低由于填料增多而导致的力学性能急剧下降。


举个例子,碳化硅晶须是一种晶格缺陷少且有一定长径比的单晶纤维,具有相当好的导热性能优异的力学性能高强度和抗高温性能。研究人员以聚丙烯为基体,碳化硅颗粒和碳化硅晶须为导热填料,利用共混/模压分别制备了两种填料单一填充和复合填充的导热复合材料,在相同填充量时,晶须填充总是比颗粒填充的复合材料热导率高,在填充质量分数为40% 时,前者比后者热导率高20% 以上且具有更优良的力学性能。

 

参考文献:

1、不同形态填料填充导热复合材料的研究进展,刘升华,朱金华,王紫潇,海军工程大学理学院。

2、散热工程塑料研究与应用进展,郝鲁阳,温变英,寇宗斌,北京工商大学材料与机械工程学院;张宜鹏,张辉,北京市化学工业研究院。


作者:粉体圈小白

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