文/張 勇

聚合物基復合材料的導熱性能影響因素淺談

文/張 勇

導熱聚合物材料按制備工藝可以大致分為本征型導熱聚合物和填充型導熱聚合物。本征型導熱聚合物材料是在聚合物合成及成型加工過程中通過改變分子和鏈節(jié)結(jié)構(gòu)，或者通過外力的作用改變分子和分子鏈的排列來獲得特殊物理結(jié)構(gòu)，從而提高材料的導熱性能，但是目前想制備這種本征型導熱高分子材料比較困難且代價高昂；填充型導熱高分子材料，是通過向聚合物基體中添加高導熱填料的方法來制備。因此目前國內(nèi)外導熱聚合物材料的研究主要集中在填充型導熱聚合物材料方向。

導熱聚合物；材料；導熱性能；制備填充型

1　本征型導熱聚合物的研究進展

制備本征型導熱聚合物材料的主要途徑：①合成具有高導熱的共軛結(jié)構(gòu)聚合物。如聚乙炔、聚苯胺和聚噻吩等，通過電子導熱機制實現(xiàn)熱傳導。②通過外界的模壓或者定向拉伸，以及外加電場或者磁場等外力使小分子單體在聚合的時候有序排列，從而增加其聚合物的有序性和結(jié)晶度，進而通過聲子振動來獲得本征型導熱絕緣高分子材料。③在制備聚合物材料的時候，盡量減少材料內(nèi)部的缺陷，從而通過減少聲子散射來提高材料本征導熱系數(shù)的方法。④可以通過化學合成剛性鏈或者容易結(jié)晶的小分子單體或者在分子鏈上引入液晶結(jié)構(gòu)，這樣的小分子單體聚合以后可以使聚合物的結(jié)晶度或者分子間的作用力增強，從而提高聚合物的導熱系數(shù)。

2　導熱性能影響因素

影響聚合物基復合材料的導熱性能的因素諸多，主要有填料的形狀、大小、添加量、界面積、在基體中的分散性、取向性、與基體的界面結(jié)合等因素。另外，基體以及無機填料本身的導熱性能也直接影響聚合物復合體系的導熱系數(shù)。研究表明，根據(jù)填料單一的物理參數(shù)來預測聚合物復合體系的導熱性能是不可取的，聚合物和填料各種因素的綜合效應決定了聚合物復合體系的導熱性能。導熱填料對聚合物復合材料導熱性能的影響可以歸納為下列幾點：

2.1填料本身的導熱性能及添加分數(shù)

填料的導熱系數(shù)越高，聚合物基復合材料的導熱性能就會越好，這是很容易理解的道理。填料的添加分數(shù)對導熱性能的影響與填料以及聚合物本身的導熱性能相關(guān)聯(lián)：當填料的導熱系數(shù)遠大于聚合物導熱系數(shù)時，隨著高導熱填料添加分數(shù)的增加，復合體系的導熱系數(shù)增大。

2.2填料尺寸大小和形狀

非金屬填料填充的聚合物復合體系熱量的傳遞載體主要是聲子。根據(jù)物理學理論，大的界面面積會增加兩相間的聲子散射，從而增大熱傳導的阻力。從這一點我們可以推斷，在同樣的添加量下，填料尺寸越大，界面面積就越小，聚合物復合體系的導熱性能會越好。然而，在最近的一些研究中卻得到了相反的結(jié)果。至今仍然無法清楚地解釋這一原因。填料尺寸分布的因素可能是造成這一現(xiàn)象的原因。填料的形狀對聚合物復合體系的導熱性能具有重要影響。研究表明，具有高比表面積的填料如晶須狀和片狀填料分布在聚合物基體中更容易形成聲子導熱通道，有利于導熱性能的提高。

2.3填料微觀分布

聲子導熱通道的形成依賴于填料粒子相互接觸，并形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。填料在聚合物基體中的分散性和相互接觸的狀態(tài)有利于聲子導熱通道的形成。事實證明只追求填料在聚合物中的良好分散性是遠遠不夠的。

2.4多組分填料對填充復合體系導熱性能的影響

復合材料的導熱性能受界面熱阻的影響，降低界面熱阻是提高導熱性能的方式之一。填充多組分高導熱無機填料，一方面增加聲子導在不同晶體的聲學錯位，另一方面有可能降低填料之間的界面熱阻。

3　導熱聚合物研究中存在的問題

雖然各個國家在高導熱聚合物基材料的研究上投入了大量的人力物力，并且高導熱聚合物材料也獲得了初步的應用。但由于聚合物本身較低的導熱系數(shù)或者通過摻雜高含量的導熱填料獲得的高導熱性能的同時所引起的機械等性能急劇惡化等問題的存在，說明現(xiàn)有的材料還不是理想的導熱填料。所以目前理想的高導熱材料的制備研究中的存在的主要問題可以總結(jié)為以下幾點：

①合成新型本征導熱聚合物。本征型聚合物不使用導熱粒子，在高聚物合成和成型加工過程中通過改變聚合物分子和鏈節(jié)的結(jié)構(gòu)而提高導熱性能。

②對于填充型的高導熱合物基復合材料，高導熱填料的有效選擇。

③導熱填料表面改性和在聚合物基體的分散。

④有效導熱模型的建立。無論是本征型還是填充型的導熱聚合物材料的研究，都是很重要也極具挑戰(zhàn)的研究，除了上述提到的幾個比較基本研究問題外，還有很多問題有待解決。

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（作者單位：成都理工大學，材料與化學化工學院）