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导热复合材料都用在哪?
2020年11月16日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:172
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从材料发展的历史来看,推动复合材料发展的关键是在于其本身具有卓越的强度、刚度和低密度由于复合材料这些性能,使其在结构和承力系统上取得很大成功,从而被广泛应用。但是,大多数结构聚合物基复合材料(PMCs)具有较低的导热性它们中的很多都被视作热绝缘体。为了满足微电子,电机电器,航天航空,军事装备等诸多制造业和高科技领域的发展需求,制备具有优良综合性能的高导热聚合物绝缘材料,已经成为一个研究热点的研究方向。

导热材料

图:导热陶瓷/塑料复合热管理材料

但在许多应用领域,高导热是应用的“关键点”,虽然聚合物基复合材料大多存在导热性较低,但越来越多的导热能力优秀的复合材料被开发出来,并应用于结构件、承力系统及微电子光学封装等范畴。航空航天和商业结构、机械、电子和光电应用要求除了材料具备高导热性部分还要求较低的热膨胀系数和低密度为适应这种要求,材料供应商开发出越来越多种类的复合材料目前聚合物基复合材料(PMCs)、金属基复合材料(MMCs)、陶瓷基复合材料(CMCs)和碳基复合材料(CAMCs)等都可以作为导热材料,在许多场合的应用无需局限于某一类复合材料,而应综合考虑导热材料的应用场合下对材料的个性能要求。下文将从导热复合材料的应用角度切入,做简单案例分析。

1、工业及商业应用

注射成型工艺生产了不计其数的商业化部件,其中包含了了大量的商品和工程树脂,包括聚丙烯、ABS、聚碳酸酯、尼龙、聚苯硫醚、液晶聚合物、聚硫砜和聚醚醚酮。但,如前文所示,聚合物的材料大多数有个弱点,就是导热性能差。

在塑料工业中 导热塑料最大和最重要的应用是替代金属和金属合金制造热交换器。它可以代替金属应用于需要良好导热性和优良耐腐蚀性能的环境,如换热器、太阳能热水器、蓄电池的冷却器等。电子电器工业也是应用导热塑料较多的一个领域,主要用来制造要求较高的导热电路板。

导热材料

图:注塑成型导热碳纤维/热塑性塑料电动机罩壳

目前有两种途径可以提高塑料导热性能。提高聚合物导热性能的途径有两种第,合成具有高导热系数的结构聚合物,如具有良好导热性能的聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯等,主要通过电子导热机制实现导热,或具有完整结晶性,通过声子实现导热的聚合物第二,通过高导热无机物对聚合物进行填充,制备聚合物/无机物导热复合材料用于填充例子种类可分为:金属、金属氧化物、金属氮化物、无机非金属、纤维填充物等。

在填料配方确认后,决定复合材料导热性的另一主要因素就是复合材料的加工工艺。根据目前导热理论研究成果认为,导热高分子材料的最终导热性能取决于填料在基体中的分布情况,使填料在基体中局部有序排列形成有效的导热通道可以有效提高复合材料的导热性能。

2、微电子和光电热控制

散热和热应力在许多微电子和光电封装应用中关键问题。微电子包括微处理器、功率半导体、应用特殊集成电路(ASICs)RF设备光电应用包括激光二极管、发光二极管、液晶和等离子显示屏、光电装置和探测器众多数据表明热控制在微处理器中至关重要

用于电子和光电热控封装材料的关键要求高导热性尽可能减小热膨胀系数失配导致的局部应力对性能可靠性的影响。使用中易遭受冲击振动的应用是另一个重要的考虑。例如,商业电子设备一般需要满足50g的冲击负荷因此还需考虑复合材料的机械性能。

例如陶瓷和半导体的热膨胀系数范围是2-7ppm/K。铜有较高的导热能力,但它的CTE为17ppm/K,会引起热应力相关的问题,如焊接接头破坏和变形。采用材料复合的方式可获取满足封装材料所需占比指标,以保证器件的可靠性。

导热材料

图:一块金刚石粒子增强SiC陶瓷基复合材料。该材料作为一种散热器用于IBM服务器上

导热材料

图:金属基复合材料-碳化硅粒子增强铝,采用碳化硅粒子增强铝也是一种先进的热控复合材料在电子工业中通常被人称为AISiC和DRA(非连续增强铝)

3、航空航天/国防应用

航空航天的材料通常需要轻量化及高性能化,/碳复合材料是具有特殊性能的新型超高温材料既有纤维增强复合材料优良的力学性能,又有碳材料优异的高温性能特别是高温下优异的热物理性能。碳/碳复合材料在2000的高温下不会熔化不会发生粘结现象,也没有明显的翘曲变形,导热性能好,比热容大,热膨胀系数小

/碳复合材料独特的性能能够满足高负荷飞机刹车时的苛刻要求所以被广泛地用于飞机刹车材料。在飞机刹车制动的过程中产生大量的热,碳/碳复合材料高导热性能有助于加快热量从接触界面扩散的速度,降低摩擦面温度改善摩擦磨损性能吸收和传递大量的热能从而延长了刹车材料的使用寿命。

同时/碳复合材料作为超高温热防护材料宇宙飞船或导弹重返大气层时由于气动加热产生高温因此必须研究材料的导热性能,以导热系数为代表的热物性参数是超高温热防护材料设计中不可缺少的数据。

导热材料

图:高碳纤维复合材料让卫星散热器实现显著“瘦身”,由于碳纤维具有高热导率的特性,因此定向高热导碳~碳复合材料在卫星热辐射器、平台结构、太阳翼板、导热部件等方面具有良好的应用前景

编辑:Alpha


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