黃鑫(中國(guó)海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程研究院, 山東 青島 266100)
對(duì)導(dǎo)熱高分子材料的研究與應(yīng)用
黃鑫(中國(guó)海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程研究院, 山東 青島 266100)
本文對(duì)導(dǎo)熱高分子材料進(jìn)行了研究,并且對(duì)其中的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析,最后針對(duì)導(dǎo)熱高分子材料的研究方向進(jìn)行了展望。
導(dǎo)熱高分子材料;導(dǎo)熱機(jī)理;研究;應(yīng)用;展望
對(duì)于一些高分子導(dǎo)熱材料來(lái)說(shuō),不僅僅要求其具有高性能的高熱能力,同時(shí)也要求其具有高強(qiáng)的耐腐蝕能力以及耐高溫能力。在目前電子技術(shù)發(fā)展迅速的時(shí)代,一些電子元件以及各種電路必須要具有高性能的導(dǎo)熱絕緣能力。
對(duì)于各種材料來(lái)說(shuō),導(dǎo)熱的機(jī)理是不同的,對(duì)于晶體的導(dǎo)熱機(jī)理,其中是排列整齊的晶粒熱振動(dòng),主要是利用聲子的概念進(jìn)行描述[1]。另外,是對(duì)于一些金屬晶體來(lái)說(shuō),其中一些自由電子的運(yùn)動(dòng)對(duì)導(dǎo)熱起著重要的作用,并且聲子所做出的貢獻(xiàn)在一定程度上是可以忽略的。非晶體的導(dǎo)熱主要是利用無(wú)規(guī)律的分子進(jìn)行排列的,這樣能夠圍繞在一定的位置上進(jìn)行熱震動(dòng),將能量傳遞給分子以及原子。對(duì)于非晶體來(lái)說(shuō),可以將其看成是晶粒極細(xì)的晶體,因此在也可以利用聲子的概念對(duì)其進(jìn)行分析。對(duì)于一些具有透射性的晶體,在一定的溫度下,對(duì)導(dǎo)熱也有明顯的作用,對(duì)于導(dǎo)熱的載體主要是電子、聲子以及光子。金屬材料的導(dǎo)熱性能要高于非金屬材料,主要是由于在金屬的材料中,存在大量的自由電子。一般來(lái)說(shuō),對(duì)于高分子來(lái)說(shuō),其導(dǎo)熱的性能比較差,要想提升其導(dǎo)熱性能,必須要填充一些導(dǎo)熱性能強(qiáng)的填料。但是若是在高分子材料中填入填料,那么將會(huì)降低材料的強(qiáng)度。
首先是對(duì)金屬材料的導(dǎo)熱機(jī)理進(jìn)行分析,其中金屬的導(dǎo)熱率為:λ=λe+λp
在以上的公式中,其中λe代表著熱導(dǎo)率的自由電子的分量,而λp代表著聲子的分量,對(duì)于一些純金屬來(lái)說(shuō),其中的λe遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于λp,因此會(huì)得到λ≈λe,所以,其中金屬的導(dǎo)電性主要是取決于自由電子的運(yùn)動(dòng),并且金屬原子之間有電子流在不斷的流動(dòng),這種電子流能夠?qū)⑵渲械臒崃吭谝粋€(gè)金屬原子流向另外一個(gè)原子。
在一些室溫以及高于室溫的條件下,其中純金屬的熱導(dǎo)率以及電導(dǎo)率之間的關(guān)系符合相應(yīng)的Wiedman-Franz定律:
在上述公式中L為洛倫茲常數(shù),而e則是代表著電導(dǎo)率,T是絕對(duì)溫度,溫度升高時(shí)會(huì)逐漸的導(dǎo)致電導(dǎo)率下降,因此其中λe不會(huì)改變,在相應(yīng)的低溫的條件下,其中金屬的熱導(dǎo)率是:
在以上公式中,其中TT2代表聲子對(duì)電子的散射引起的熱阻,而U/T則是代表著由雜志對(duì)電子散射引起的熱阻,但是若是在金屬含有其他的元素,那么將會(huì)影響導(dǎo)熱率[3]。
另外對(duì)于非金屬材料的導(dǎo)熱機(jī)理來(lái)說(shuō),導(dǎo)熱主要是利用聲子,其中非金屬主要是分為晶體非金屬以及非晶體非金屬兩種,其中晶體非金屬的導(dǎo)熱率僅次于金屬,也屬于一種性能比較好的導(dǎo)熱體。只有非常純的單晶體其熱導(dǎo)率比較好,這種晶體沒(méi)有雜質(zhì)以及錯(cuò)位等缺陷,僅僅是在聲子在相互之間散射而帶來(lái)的熱阻。在溫度逐漸的降低時(shí),聲子之間的散射會(huì)逐漸的減弱,這樣其熱阻也會(huì)逐漸的降低,直到聲子的自由程被單晶體的界面限制時(shí),那么熱阻才會(huì)逐漸的上升。
最后是對(duì)于絕緣高分子的材料的導(dǎo)熱機(jī)理的研究,但是絕緣高分子材料的聲子自由程度很差,因此其熱導(dǎo)率也比較低,其材料的導(dǎo)熱性能主要是取決于含極性基團(tuán)的數(shù)量以及極性基團(tuán)偶極化的程度。對(duì)于絕緣高分子來(lái)說(shuō),整個(gè)分子鏈不能夠完全自由運(yùn)動(dòng),這樣僅僅會(huì)發(fā)生源自以及基團(tuán)后者鏈接的振動(dòng)。所以說(shuō),絕緣高分子材料的熱導(dǎo)率與溫度有很大的關(guān)系,在溫度逐漸的升高時(shí),可以發(fā)生更大基團(tuán)或者鏈接的振動(dòng),這樣材料的導(dǎo)熱性也會(huì)隨之增加。對(duì)于絕緣高分子材料,其熱導(dǎo)率也缺覺(jué)與分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊密程度,因此其結(jié)晶聚合物的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于非晶態(tài)聚合物。以此聚乙烯為例子,超拉伸的聚乙烯的熱導(dǎo)率可以達(dá)到未拉伸時(shí)的兩倍之多,主要是在超拉伸時(shí)候能夠形成相當(dāng)數(shù)量的伸展分子鏈構(gòu)成的針狀晶體,所以,超拉伸的聚乙烯能夠成為有效的熱導(dǎo)體。
日本的相關(guān)化學(xué)公司開發(fā)除了高純度的MgO,其中熱導(dǎo)率為λ≥50W/(m?K),其中相當(dāng)于AL2O3的三倍還多。另外利用平均粒徑為5~30μm的金屬粉末填料,其中熱導(dǎo)率為λ≥3W/(m?K)。另外,日本相關(guān)機(jī)構(gòu)研制出了高導(dǎo)熱性陶瓷,傳統(tǒng)的氮化硅導(dǎo)熱性能很低,高導(dǎo)熱性的氮化硅主要是傳統(tǒng)氮化硅的基礎(chǔ)上加入一些晶體粒子,從而來(lái)使晶粒子形成100μm的纖維狀的氮化硅結(jié)構(gòu),這種新型的材料屬于普通氮化硅的三倍,熱導(dǎo)率很高。
對(duì)于高分子材料來(lái)說(shuō),雖然熱導(dǎo)率比較低,但是用石墨作為導(dǎo)熱填料,從而來(lái)以高興酚醛樹脂為粘結(jié)劑制成石墨導(dǎo)熱塑料,這樣有效的保證了塑料的耐腐蝕性,也使其具有良好的導(dǎo)熱性能。另外,導(dǎo)熱絕緣膠粘劑也是一個(gè)很好的例子,相關(guān)學(xué)者利用L-1型填料填充的各種環(huán)氧改性,自制出固化劑固化的膠黏劑。這種膠具有很多種功能,導(dǎo)熱性比較好,能夠作為導(dǎo)熱脂,同時(shí)也能夠作成膠黏劑以及涂料等。
對(duì)于導(dǎo)熱的高分子材料的出現(xiàn),有效的擴(kuò)大了高分子材料的應(yīng)用范圍,同時(shí)也擴(kuò)寬了傳熱材料的研究領(lǐng)域。
[1]呂生華,梁國(guó)正.耐輻射高分子材料的研究和應(yīng)用進(jìn)展[J].工程塑料應(yīng)用,2011,(01).
[2]孟令輝,白永平,黃玉東.高分子材料專業(yè)教學(xué)應(yīng)加強(qiáng)環(huán)保意識(shí)的培養(yǎng)[J].化工高等教育,2012,(01).
[3]詹茂盛,何利軍.“高分子材料課程信息化師生互動(dòng)教學(xué)方法”研究與實(shí)踐[J].化工高等教育,2010,(03).
黃鑫(1995-),男,吉林省四平人,高分子材料與工程12級(jí)。