对导热高分子材料的研究与应用

2022-09-10

对于一些高分子导热材料来说, 不仅仅要求其具有高性能的高热能力, 同时也要求其具有高强的耐腐蚀能力以及耐高温能力。在目前电子技术发展迅速的时代, 一些电子元件以及各种电路必须要具有高性能的导热绝缘能力。

1 对导热高分子材料的研究

对于各种材料来说, 导热的机理是不同的, 对于晶体的导热机理, 其中是排列整齐的晶粒热振动, 主要是利用声子的概念进行描述[1]。另外, 是对于一些金属晶体来说, 其中一些自由电子的运动对导热起着重要的作用, 并且声子所做出的贡献在一定程度上是可以忽略的。非晶体的导热主要是利用无规律的分子进行排列的, 这样能够围绕在一定的位置上进行热震动, 将能量传递给分子以及原子。对于非晶体来说, 可以将其看成是晶粒极细的晶体, 因此在也可以利用声子的概念对其进行分析。对于一些具有透射性的晶体, 在一定的温度下, 对导热也有明显的作用, 对于导热的载体主要是电子、声子以及光子。金属材料的导热性能要高于非金属材料, 主要是由于在金属的材料中, 存在大量的自由电子。一般来说, 对于高分子来说, 其导热的性能比较差, 要想提升其导热性能, 必须要填充一些导热性能强的填料。但是若是在高分子材料中填入填料, 那么将会降低材料的强度。

首先是对金属材料的导热机理进行分析, 其中金属的导热率为:λ=λe+λp

在以上的公式中, 其中λe代表着热导率的自由电子的分量, 而λp代表着声子的分量, 对于一些纯金属来说, 其中的λe远远大于λp, 因此会得到λ≈λe, 所以, 其中金属的导电性主要是取决于自由电子的运动, 并且金属原子之间有电子流在不断的流动, 这种电子流能够将其中的热量在一个金属原子流向另外一个原子。

在一些室温以及高于室温的条件下, 其中纯金属的热导率以及电导率之间的关系符合相应的Wiedman-Franz定律:

在上述公式中L为洛伦兹常数, 而e则是代表着电导率, T是绝对温度, 温度升高时会逐渐的导致电导率下降, 因此其中λe不会改变, 在相应的低温的条件下, 其中金属的热导率是:

在以上公式中, 其中TT2代表声子对电子的散射引起的热阻, 而U/T则是代表着由杂志对电子散射引起的热阻, 但是若是在金属含有其他的元素, 那么将会影响导热率[3]。

另外对于非金属材料的导热机理来说, 导热主要是利用声子, 其中非金属主要是分为晶体非金属以及非晶体非金属两种, 其中晶体非金属的导热率仅次于金属, 也属于一种性能比较好的导热体。只有非常纯的单晶体其热导率比较好, 这种晶体没有杂质以及错位等缺陷, 仅仅是在声子在相互之间散射而带来的热阻。在温度逐渐的降低时, 声子之间的散射会逐渐的减弱, 这样其热阻也会逐渐的降低, 直到声子的自由程被单晶体的界面限制时, 那么热阻才会逐渐的上升。

最后是对于绝缘高分子的材料的导热机理的研究, 但是绝缘高分子材料的声子自由程度很差, 因此其热导率也比较低, 其材料的导热性能主要是取决于含极性基团的数量以及极性基团偶极化的程度。对于绝缘高分子来说, 整个分子链不能够完全自由运动, 这样仅仅会发生源自以及基团后者链接的振动。所以说, 绝缘高分子材料的热导率与温度有很大的关系, 在温度逐渐的升高时, 可以发生更大基团或者链接的振动, 这样材料的导热性也会随之增加。对于绝缘高分子材料, 其热导率也缺觉与分子内部结构的紧密程度, 因此其结晶聚合物的热导率远远的大于非晶态聚合物。以此聚乙烯为例子, 超拉伸的聚乙烯的热导率可以达到未拉伸时的两倍之多, 主要是在超拉伸时候能够形成相当数量的伸展分子链构成的针状晶体, 所以, 超拉伸的聚乙烯能够成为有效的热导体。

2 对导热高分子材料的应用

日本的相关化学公司开发除了高纯度的Mg O, 其中热导率为λ≥50W/ (m·K) , 其中相当于AL2O3的三倍还多。另外利用平均粒径为5~30μm的金属粉末填料, 其中热导率为λ≥3W/ (m·K) 。另外, 日本相关机构研制出了高导热性陶瓷, 传统的氮化硅导热性能很低, 高导热性的氮化硅主要是传统氮化硅的基础上加入一些晶体粒子, 从而来使晶粒子形成100μm的纤维状的氮化硅结构, 这种新型的材料属于普通氮化硅的三倍, 热导率很高。

对于高分子材料来说, 虽然热导率比较低, 但是用石墨作为导热填料, 从而来以高兴酚醛树脂为粘结剂制成石墨导热塑料, 这样有效的保证了塑料的耐腐蚀性, 也使其具有良好的导热性能。另外, 导热绝缘胶粘剂也是一个很好的例子, 相关学者利用L-1型填料填充的各种环氧改性, 自制出固化剂固化的胶黏剂。这种胶具有很多种功能, 导热性比较好, 能够作为导热脂, 同时也能够作成胶黏剂以及涂料等。