隨著工業(yè)生產和科學技術的發(fā)展,人們對導熱材料提出了新的要求,希望材料具有優(yōu)良的綜合性能。如在化工生產和廢水處理中使用的熱交換器既需要所用材料具有導熱能力,又要求其耐化學腐蝕、耐高溫。在電氣電子領域由于集成技術和組裝技術的迅速發(fā)展,電子元件、邏輯電路的體積成千成萬倍地縮小,則需要高散熱性的導熱絕緣材料。
  
近幾十年來,高分子材料的應用領域不斷拓展，用人工合成的高分子材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)工業(yè)中使用的各種材料,特別是金屬材料,已成為世界科研努力的方向之一。由于高分子材料大多是熱的不良導體(見圖二,為了制造具有優(yōu)良綜合性能的導熱材料,一般都是用高導熱性的金屬或無機填料對高分子材料進行填充。這樣得到的導熱材料價格低廉、易加工成型,經過適當?shù)墓に囂幚砘蚺浞秸{整可以應用于某些特殊領域。
 
1、 概述
傳統(tǒng)的導熱物質多為金屬如Ag, Cu, Al和金屬氧化物如Al2O3, MgO, BeO以及其它非金屬材料如石墨,炭黑,Si3N4,AlN。隨著工業(yè)生產和科學技術的發(fā)展,人們對導熱材料提出了新的要求,希望材料具有優(yōu)良的綜合性能。如在化工生產和廢水處理中使用的熱交換器既需要所用材料具有導熱能力,又要求其耐化學腐蝕、耐高溫。在電氣電子領域由于集成技術和組裝技術的迅速發(fā)展,電子元件、邏輯電路的體積成千成萬倍地縮小,則需要高導熱性的絕緣材料。近幾十年來,高分子材料的應用領域不斷拓展,用人工合成的高分子材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)工業(yè)中使用的各種材料,特別是金屬材料,已成為世界科研努力的方向之一。在導熱材料領域,純的高分子材料一般是不能勝任的,因為高分子材料大多是熱的不良導體。
 
在注塑加工工業(yè)中,導熱塑料最大和最重要的應用是替代金屬和金屬合金制造熱交換器[3]。它可以代替金屬應用于需要良好導熱性和優(yōu)良耐腐蝕性能的環(huán)境,如換熱器、太陽能熱水器、蓄電池的冷卻器等。電子電器工業(yè)也是應用導熱塑料較多的一個領域,主要用來制造要求較高的導熱電路板。另外在用作輸送、盛裝、封閉、裝飾、埋嵌等材料,以及滿足某些制品在固化時的尺寸穩(wěn)定性的要求方面也有應用。
 
在橡膠工業(yè)中,關于導熱橡膠制品的研究開發(fā),重點集中在以硅橡膠和丁腈橡膠為基質的領域內,用于制造與電子電氣元件接觸的橡膠制品,既提供了系統(tǒng)所需要的高彈性、耐熱性,又可以將系統(tǒng)的熱量迅速傳遞出去。如具有良好導熱性和電絕緣性能的橡膠可以用于電子電器元部件的減震器;事實上,許多橡膠制品都在動態(tài)情況下使用,由材料的形變滯后效應所造成的體系溫升經常是很高的,從而使得材料的動態(tài)疲勞性能下降。以往人們總是研究怎樣從配方上降低橡膠材料的動態(tài)生熱,而沒有很好地研究膠料本身導熱性好壞及怎樣進一步提高的問題。
 
在粘合劑工業(yè)中,隨著電子元器件和電子設備向薄輕小方面發(fā)展,對于用作封裝和熱界面材料的導熱粘合劑尤其是導熱絕緣粘合劑的需求越來越高。散熱在電子工業(yè)中是一個至關重要的問題。比如對于電子元器件,如果熱量來不及散除將導致其工作溫度升高,這樣不僅會降低其使用壽命而且也將大大降低它的穩(wěn)定性。
 
如上所述,絕大多數(shù)高分子材料本身屬于絕熱性材料。要想賦予高分子材料優(yōu)良的導熱性,主要是通過共混(熔體共混和溶液共混等)方法在高分子材料中填充導熱性能好的填料。這樣得到的導熱材料有價格低廉、易加工成型等優(yōu)點。
 
2、 導熱高分子材料的制作
高分子材料是以高導熱性的金屬或無機元素為導熱介質,將其注入各類金屬(或非金屬)管狀、夾層板腔內,經密封成形后,形成具有導熱性能的元件。在各種工況下,導熱元件內的導熱介質受熱激發(fā)產生動能而運動、振動,并伴隨有化學、物理變化,將熱能快速激發(fā)并呈波狀快速傳遞,這樣高速運動的粒子流載著大量的熱能,傳到冷端放熱,冷卻后又恢復常態(tài)回到加熱段繼續(xù)吸熱而傳導。在整個傳熱過程中,元件的表面呈現(xiàn)出熱阻趨于零的特征。這樣得到的導熱材料價格低廉、易加工成型,經過適當?shù)墓に囂幚砘蚺浞秸{整可以應用于某些特殊領域。
 
3、 導熱的基本概念
當物體的溫度不均勻時,熱能將從高溫部分傳播到低溫部分,使整個物體的溫度趨于一致,這種現(xiàn)象稱為熱傳導。若物體中存在溫度梯度dTdx,則單位時間通過垂直于溫度梯度方向的單位面積的熱能dQdt,與溫度梯度成正比。即dQdt= -κdTdx式中,負號表示熱流與溫度梯度方向相反。κ稱為導熱系數(shù),它是衡量物體導熱性能的物理量。熱能傳輸不是沿著一條直線從物體的一端傳到另一端,而是采用擴散形式。熱能的荷載者包括電子、光子和聲子。對于絕大多數(shù)固體物質,熱能荷載者是電子和聲子。所以,物體的總導熱系數(shù)為:κ=κe+κs ，對于完整的晶體電子的導熱系數(shù)為:κe=13vflfcev ，聲子的導熱系數(shù)為:κs=13v-lcv ，式中,v-為聲子平均速度,l為聲子的平均自由程,cv為聲子的熱容。對于大多數(shù)聚合物,它們都是飽和體系,無自由電子存在,所以熱傳導主要是晶格振動的結果,即熱能荷載者是聲子,其導熱系數(shù)由處理。
 
4、 導熱高分子的導熱機理
導熱高分子復合材料的導熱性能最終是由高分子基體和高導熱填充物綜合作用決定的。作為導熱高分子復合材料的填充物無論是以粒子還是以纖維形式,其自身的導熱性都遠大于基體材料的導熱性,當填充量比較小時,彼此能夠均勻的分散在體系中,它們之間沒有接觸和相互作用。此時填料對于整個體系的導熱性的貢獻不大,但是當填料量達到一定程度時,填料之間開始有了相互作用,在體系中形成了類似鏈狀和網(wǎng)狀的形態(tài),稱為導熱網(wǎng)鏈。這樣,當這些導熱網(wǎng)鏈的取向方向與熱流方向平行時,就會在很大的程度上提高體系的導熱性。這就類似于一個簡單的電路,當兩個不同阻值的電阻并聯(lián)在一起時,在一定的電壓下,阻值越小的電阻對于電路中總電流的貢獻越大。體系中基體和填料可以分別看作為兩個熱阻,顯然基體本身的導熱性很差使相應的熱阻就很大,而填料自身的熱阻是非常小的,但是體系中如果在熱流方向上形不成導熱網(wǎng)鏈,這使得基體熱阻和填料熱阻之間是串連的關系,因此在熱流方向上的總熱阻是很大的,最終導致體系的導熱性較差。而當熱流方向上形成導熱網(wǎng)鏈之后,填料形成的熱阻大大減小,基體熱阻和填料熱阻之間有了并聯(lián)關系,這樣導熱網(wǎng)鏈對于整個體系導熱性起了主導地位而大大提高了體系的導熱性。
 
5、高分子材料的發(fā)展前景
綜上所述,導熱高分子材料從基礎理論到產品開發(fā)等各方面都是高分子材料研究的重要內容之一。特別是20世紀90年代以來,導熱高分子復合材料導熱系數(shù)預測的數(shù)學模型研究取得了一定進展,納米復合技術的引入為導熱高分子材料研究提供了新的機遇和挑戰(zhàn)。但是,導熱高分子材料的研究僅局限于簡單的共混復合,所得材料的導熱系數(shù)還不高,高導熱聚合物本體材料和復合材料在導熱機理、應用開發(fā)等方面的研究遠不如導電材料研究深入,導熱系數(shù)預測理論局限于復合材料各組分導熱系數(shù)的經驗模擬,缺乏導熱機理的理論支持。所以,納米導熱填料的研究和開發(fā);聚合物樹脂基體的物理化學改性;聚合物基體與導熱填料復合新技術的研究和開發(fā);聚合物復合材料導熱模型的建立,導熱機理(特別是聚合物基體與導熱填料界面的結構與性能對材料導熱性能的影響及導熱通路的形成等)的研究;探索高導熱本體聚合物材料的制備途徑等應成為導熱高分子材料研究的方向。導熱高分子材料研究必將為高技術的發(fā)展奠定重要基礎。
 
6、 高分子材料的優(yōu)勢
1) 啟動迅速,導熱速度快。自元件一端加熱,數(shù)秒鐘就可將熱量傳遞到另一端。
2) 熱阻小,均溫性好。當量導熱系數(shù)為3.2×106/M·℃,是白銀的7 000余倍。沿傳熱元件軸向溫差趨于零,這樣可使元件的表面溫度基本保持一致。
3) 傳熱能力大。軸向熱流密度8.6MW/m2,徑向熱流密度45MW/m2。
4) 適用溫度范圍廣。工質工作溫度范圍在60℃~1 000℃;元件工作溫度范圍可達材料使用溫度極限。
5) 與材料相容性好。與工程常用金屬材料如鋼、銅和鋁等材料相容性好,不易產生不凝性氣體,可有效延長元件使用壽命。
6) 操作壓力低。傳熱元件在270℃時內腔工作壓力僅為0.9MP,不易產生爆管。
7) 工質壽命長。傳熱工質用高溫老化方式檢驗壽命11萬h。
8) 適用于高寒地區(qū)。環(huán)境溫度低于0℃時不會發(fā)生凍裂現(xiàn)象,冬季設備停工時,不需要考慮管子的保溫和防凍。
9) 使用行業(yè)面廣。已在多種類型的換熱器如空氣預熱器、省煤器、余熱器和太陽能熱水器等設備中使用。

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