导热填料在绝缘高分子材料中的应用

乐碧兰 季慧

摘 要：按材料制备工艺将导热绝缘高分子材料区分大致可分为本体型导热绝缘高分子材料和填充型导热绝缘高分子材料。本体型导热绝缘高分子是在材料合成及成型加工过程中，通过改变材料分子和链节结构获得特殊物理结构，从而获得导热性能；填充型导热绝缘高分子材料是在普通高分子中加入导热绝缘填料，通过一定方式复合而获得导热性能。本文就导热填料在绝缘高分子材料中的应用进行分析。

关键词：导热填充；高分子材料；应用

引言

在聚合物中填充高导热性的填料，是制备导热绝缘高分子材料比较常用的方法。目前，国外高导热绝缘高分子材料仍以填充型为主，即将导热填料填充到有特定要求的绝缘树脂材料中，从而提高绝缘系统的导热性能。

一、导热绝缘高分子复合材料中填料种类

金属填料的导热，必须要通过电子的运动，由于填料种类不同，各种类型的的导热原理也不一样，声子是金属填料进行导热的主要工具，结合基团及邻近原子的振动，决定热能的扩散速率。非金属晶体和晶体非金属是非金属的两大类；金属的热导率比晶体非金属高。对于强共价键结合材料，在晶体晶格中进行传热，通常很有效，特别是温度非常低时，材料的热导率比较好，但是，如果温度升高，晶格的抗热流性，会因为热运动而增加，导致热导率降低。

二、导热填料的分类与应用

2.1氧化物导热填料的应用

以氧化物为主的导热填料主要包括了以Al2O3（氧化铝）、MgO（氧化镁）、和ZnO（氧化锌）等，由于氧化物导热填料具有优越的导热性能和良好的电绝缘性，因此也常被用于绝缘高分子导热材料中。以针状Al2O3为例，虽然其原料的价格较低，但是由于其体积小因此填充量较少，因此在以液体硅胶为主的绝缘高分子材料中，一般针状氧化铝的填充量基本固定在300份左右，使得其填充后对高分子材料的导热率提升受到较大的限制；另一方面，球状Al2O3虽然填充量较大且导热性能较高，但其填充的价格和生产成本较高，因此也限制了绝缘高分子材料的导热性能。现代高分子技术通过将氮化硼与氧化铝结合，使其共同作为绝缘高分子材料的导热填料。将上述方法应用到绝缘高分子材料的导热填充过程中，在保證了相关设备具有良好导电性能的同时，大幅度地提高了绝缘高分子材料的导热率，使得设备的散热效果明显提升，同时，对其原料的生产和加工过程的成本也要低于单一的以Al2O3为导热填料的高分子绝缘材料的生产成本。

2.2氮化物导热填料的应用

以氮化物作为导热填料的绝缘高分子材料具有导热性能高、电绝缘性能好以及内高温等优点，因此被广泛应用与绝缘高分子材料中。以氮化铝（AlN）为例，由于其是以AlN4的正四面体为单位材料结构的共价化合物，因此氮化铝具有较高的导热性能，通过在环氧树脂中填入氮化铝，可以使大幅度提高填充型环氧树脂导热材料的耐热性和应力性，且氮化铝加入后，对其导电性能的影响微乎其微，有效地提高了相关设备的散热性。但在实际生产和应用过程中，由于原料的价格比较昂贵，且AlN在受潮后易与水发生反应产生氢氧化铝，导致电路中断，从而降低设备的导热性能，因此在进行以氮化物作为绝缘高分子材料的导热填料时，需要根据具体的设备情况进行综合性的考虑。

2.3碳化物导热填料的应用

近年来，以碳化物为导热填料的绝缘高分子材料的应用越来越广泛，其中尤以以碳化硅和碳化硼的应用最为常见。以SiC 为例，由于其是一种共价键相对较强的化合物，且一般以六方晶体形态存在，结构类似于金刚石，因此具有强度大、耐高温、抗腐蚀和导热性能好及热稳定度高等优点。通过将碳化硅最为导热填料应用到微电子的封装材料中可以大幅度提高相关设备的散热率并提升设备的使用寿命。以碳化物最导热填料的缺点是在进行材料合成的过程中，碳和石墨难以去除，降低了产品的纯度，同时较高的电导率限制了其在绝缘性能要求较高材料中的应用。

三、填料对热导率影响的因素

3.1填材料径大小的影响

体系热导率，受基体树脂粉的末料径及填料径的大小影响。超细微化对导热填料处理以后，导热填料导热的性能可以有效地提升，导热进料越细，在绝缘的高分子材料中，该导热填料相互接触和作用以及分散，就会越有利，从而使热导率得以有效地提升。在高填充量下，热导率受粒径大小的影响比较小，基体树脂内部在基体树脂比较高的状态下，导热的网链已经形成了，可以将粒径大小所产行的影响忽视。

3.2填料微观表面形态的影响

不同微观的填料，微观的形态及几何结构也不相同，对材料的影响也很大。在基体的树脂中，形成的导热网链和填料分布的状态，都会严重地影响体系的热导率。片状和粒状以及纤维等是主要的导热填料，在材料中分散形状之间，若导热填料将链状或者网状的导热网络，相互结合而形成，适合绝缘高分子材料热导率的提升的首选材料，就是导热填料。

3.3填料表面处理的影响

处理填料表面对于基体界面声子和填料的散射，界面间热阻的降低，对热导率的提升具有一定的影响。有机树脂基本的界面与无机粒子的相容性非常差，基体的粒子容易聚集而成团，很难分散。因此，对于导热粒子的表面必须要进行处理，致使两者界面的结合情况，得以有效地改善。填料表面的润湿程序对填料分散的状态有一定的影响，同时，还会影响到填料与基体粘结的程度，以及基体与填料界面热障的大小，特别是纳米填料，如果对于纳米填料表面不能进行有效地改性，就不能够在高分子基体中，以纳米的尺寸进行分散。

3.4填料添加量的影响

填料的用量比较低时，利用低热导率和高热导率，对于高分子材料热导率的影响比较小，主要是填料的用量比较少，基体完全将其包裹在内，热阻比较大，基体树脂热导率决定热导率，因此，填料的用量必须要达到一定的程度，才能够影响到材料热导率。因为导热填料填充量太小时，导热填料之间相互的作用和真正的接触都没有形成，对于提升导热的性能根本没有作用。导热填料填充量必须要达到临界值时，导热填料之间才能够产生相互的作用，体系中的链状导热网络及类似的网状，才能够形成，从而使导热填料的导热系数提以提升。

四、导热绝缘高分子材料综合性能提升方法

由上述对不同导热填料的分析可知，每种导热调料都有其自身的优势和不足，因此在进行导热填料的选择时，需要将导热性、导电性、生产流程和生产成本等因素进行综合考虑，从而选出最合理的导热填充方式。

在生产中充分利用导热填料和绝缘高分子材料不同的特点，通过合理选择表面处理剂对两种材料进行处理，从而提高二者的相容性，在提高材料导热性的同时，有效地避免了因填料的填充造成的材料力学性下降的情况发生。另一方面，在对导热率具有较高要求的绝缘高分子材料进行填充时，通过选择导热系数高的填料，综合填充价合理地填充导热原料，从而增加相关绝缘高分子材料的导热性。最后，在进行绝缘高分子材料的成型工作中，由于温度、加工时间和压力等方面均会影响高分子材料的综合性能，因此，在进行生产时，需要通过对填充方法进行综合性考虑，从而是高分子材料的导热性能达到最大化。

五、结束语

综上所述，电气和机械以及电子等都在快速地发展，对于导热绝缘的高分子材料要求也增高了，未来发展的方向，就是导热绝缘高分子材料，不但要热导率高，综合性也要好。

参考文献：

[1]张明鑫.导热填料在绝缘高分子材料中的应用分析[J].化工管理，2016（14）：189.

[2]王兆福，齐暑华，杨睿.高导热绝缘材料的研究进展[J].粘接，2014，35（08）：59-62.

[3]李俊明，虞鑫海，罗道明.导热填料在绝缘高分子材料中的应用[J].绝缘材料，2013，46（02）：25-28+37.