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1、高导热绝缘高分子复合材料的研究进展王文进，李鸿岩，姜其斌株溯时健囊耪料秘技毅份煮隈公霹，滋精撩溯4 1 2 0 0 7)摘要：介绍了高导热绝缘高分子复合材料的导热机理，讨论了影响高导热绝缘高分子材料导热性能的主要因索，阚述了高导热绝缘高分子捞料的发展方向。关键调：高导热；绝缘；复合材料中图分类号：T M 2 1 5；T Q 3 1 7文献标志码：A文章编号：1 0 0 9 9 2 3 9(2 0 0 8)0 5 0 0 3 0 一0 4R e s e a r c hP r o g r e s so fH i g hT h e r m a lC o n d u c t i v ea n dE l
2、 e c t r i c a lI n s u l a t i n gP o l y m e rC o m p o s i t e sW A N GW e n-j i n，L IH o n g-y a n，j i A N GQ i-b i n(z h u z h o uT i m e sN e wM a t e r i a lT e c h n o l o g yC o，L t d，Z h u z h o u4 1 2 0 0 7。C h i n a)A b s t r a c t：T h et h e r m a lc o n d u c t i n gm e c h a n i s mo
3、fh i g ht h e r m a lc o n d u c t i v ea n de l e c t r i c a li n s u l a t i n gp o l y-m e rc o m p o s i t e sw a sd e s c r i b e d。A n dt h ee f f e c t i n gf a c t o r so nt h e r m a lp r o p e r t i e sw e r ed i s c u s s e d。T h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h e r m a lc o
4、 n d u c t i n ga n di n s u l a t i n gp o l y m e rc o m p o s i t e sw a sp u tf o r w a r d K e yw o r d s：h i g ht h e r m a lc o n d u c t i v e：e l e c t r i c a li n s u l a t i o n；c o m p o s i t e s1 前言高分子材料具有轻质、耐化学腐蚀、易加王成型、毫绝缘性能优弊、力学及抗疲劳性熊优良等特点。然而，绝大多数高分子材料热导率极低，是热绝缘体，尚若赋予高分子材料以一定导热性，则会拓
5、宽高分子材耨酶应用领域瓢弋根据电绝缘性露将导热高分子分戈导热导电高分子和导热绝缘高分子两大类。导热绝缘高分子材料在绝缘散热及导热场合对于提高电气及檄电子器件的精度霸寿愈具有重要意义瑟l o随着微电子集成技术和组装技术的快速发展，电子元器件和逻辑电路的体积越来越小，而工作频率急尉增加，半导搭热环境巍高温方向迅速变化。此时电子设备所产生的热量迅遵积累、增加，在使用环境温度下，为保证电子元器件长时间高可靠性地正常工俸，及时散热黪力就成为影响其使雳寿命的薰要限制因素，所以迫切需要研制高导热性能的绝缘高分子复合材料【3 5 l o茸前，高罨热绝缘高分子耪料主要采焉向聚合物中填充导热组分，通用的导热填料为
6、高导热的无机毂稹嚣期：2 0 0 8 一0 7 一薛基愈项目；8 6 3 计姗资助项目(2 0 0 甜A l l A l 7 8)作者简介；王文进(1 9 8 0 一)。男。湖北仙桃人硕士。工程师。研究方向为继米囊整豺辩的瓣究及应攫。电话)0 7 3 3 7 6 2 6 8 6 7(电子售麓)w a n g w j t r p。C 0 1 c n o物陋l o 此方法得到的材料具有较好的导热率，价格低廉，易于工业化生产，是飚前高导热绝缘高分乎复合材料研究酶主要方彝。2 高导热绝缘高分子复合材料的导热机理榱据热动力学说，热是秤联系剜分子、原予、电子等以及它们的组成部分的移动、转动和振动的能量。因
7、此，物质的导热机理必然与组成物质的微观粒子豹运动密切关联。不霹物质及物质娃子不弱状态时有不同的导热机理。相应导热能力也有很大差别。但所有物质的热传导，不管处于何种状态，都是幽物质内部微观粒子相互碰撞裙传递的绻暴敬s l o固体内部的导热载体分为3 种；电子、声予及光子。晶体中由于微粒的远程有序性，声子起主要俸用。许多高分子材料是由苓对称的羧性链节所梅成。如聚氯乙烯、纤维素、聚酯等，它们都属于晶态或非晶态的材料，整个分子链不能完全自由运动，只能发生原子、基露或镳节的振动。热导率对温度有依赖性【9 l o 随着温度的升高，可以发生更大基团或链节的振动，所以随饕温度升高，高分予材料导热性提高驻。毛对
8、于多晶态或玻璃态的绝缘材料，盘予声子枣由程很小。其热导率很低。对于绝缘高分子材料而言，材料的导热性能取决于含极性基团的多少秘极性基团偶极化的程度f l l o 另外绝缘高分子复合材料的热万方数据导率也取决于分子内部的结合紧密程度，其可以通过外界的定向拉伸或模压的方式实现。超拉伸的聚乙烯霸热嚣率可以达蓟未拉律鲢两倍，蹙至成为热的良导体，这是由于在高拉伸比时形成了相当数量的伸展分子链构成的针状晶体一晶桥 1 2,1 3 I o一般毫分子材料本身熬导热性能很差，是热的不良导体，只有通过填充高导热性的填料增加材料的热导率。填料自身的导热性能及其在高分子基体中的分布形式决定了整捧材料蛉导熬性熊 1 4,
9、1 5 1 0 裹导热绝缘高分子复合材料的导热系数取决于高分子和导热填料的协同作用。当加入的填料量较少时，填料在高分子基体中的分布近似戳孤岛形式窭现，聚合物为连续相，填料为分散相，填料被聚合物基体所包覆，类似于聚合物共混体系中的“海一岛两相体系”结构。当填料的添加萤达委莱一临界德以上时，部分填料戢填料聚集体会相互接触，在复合材料中形成局部的导热链或导热网；若再增加填料曼，导热链或导热网会相互联结和贯穿在聚合物基体中形成贯穿整个材料的导热网络，这样填料聚集体导热网络与聚合物基体会形成翅蔓贯穿的网络结构，使填充复合材料的导热性能显著提高n p l。I。G i u s e p p e 等人l t 9
10、 研究了A l N 的填充量对复合材料A l N P S 导热性能的影响A l N 填料的含量炎毒在高予1 2 醛，填瓣才能在A|N P S 誊孝料中形成贯穿的网络结构，使复合材料的导热性能提高。3 影睛高导热绝缘高分子材料导热性耱豹主要圆素3 1 高分子基体的影响高分子材料是高导热绝缘高分子材料的基体，其内部组成和结构盏接决定材料的导热性髓。高分子基体中禽极性基团的多少和极性基团偶极化的程度决定材料最后的导热性能。女爨聚酰亚胺所含的极性基团多，臣较易极化，其导热系数为0。3 7W(m K)。聚滔氟乙烯无极性。其导热性就差。为0 2 5w(m K)。高导热填辩蛉弓l 入对高分子基体的导热性能骞
11、影响，但高分子基体的热导率也不能太低。研究表明捧j 当基体与填料间导热系数比低于1：1 0 0 时，复合材料的导热健只会荐有微，l、的增热。R a v i n d r aM a n g a l 等渤l研究了菠萝纤维增强酚醛树脂(P F)的导热性能，实验结果表明任何填充含擞的菠萝纤维P F 复合材料翦热导率都没有增魏，楣及随羞填充量酶增加有减小的趋势，主要原因就是菠萝纤维自身的热导率太低。3 2 填料的影响填料的种类、填料的比例和填料的外形等对导热绝缘高分子材料的性能有影响。3。2。1 填特种类砖影嗨填料的种类不同，其导热机理也不同，金属填料是靠电子运动进行导热，而非金属填料的导热主要依靠声予，
12、其热能扩数速率主要取决予邻近原子或结合基团的振动。非众屑又可分为晶体非金属和非晶体非金属两类，晶体非金属的热导率次予金属，非晶体非金属的热导率最低。在强共徐键结合的材料中，在有序的晶体晶格中传热是比较有效的，尤其在低温条件下，材料具有良好的热导率，但随着溆度升高，晶格的热运动导致抗热流性增魏，从丽降低热导率。(1)金属填料金属填料的导热高分子复合绝缘材料仅适用于对绝缘性能要求不是很高的场合。越本专利报道p 1 t将环氧树脂、固化剂和直径4 0p m 的铝粉以1 0 0：8：3 4 的质量比混合，浇铸成型，可制得导热系数为4。6 0W(m K)，具有优良尺寸稳定性的产品。(2)无机填料在绝缘高分
13、子复会材料中用封无橇填料包括羯瓷、碳纤维、氧化铝、氧化镁、氮化铝、碳化硅等。W e n h oK i m 等人l 以线性酚醛环氧树脂为基体树脂，以烈N 力导热填料，线性酚醛树脂为固化荆，翻备出了导热系数尚达1 4w(m K)、介电常数很低的微电子封铸材料。(3 导电有槐物填料导电有机物通常包括聚乙炔、聚驻苯基硫醚、聚噻吩等。用导电性有机物做填料可以改善材料的相容性、加工性穰导热性能1 2 3 1 03 2 2 填料比例的影响当导热填料的填充量很小时，导热填料之闫不能形成真正的接触和相互俸用，对高分子绝缘材料导热性能的提高几乎没有作用。只有在高分子基体中，导热填料的填充量达到某一临界值时，导热填
14、料之闻才有真正意义上的相互作用，体系中才熊形成类似网状或链状的导热网络。3。2。3 填耕夕 形酶影畴填料的外形赢接影响其在高分予绝缘材料中的分布及导热网络的形成。分散于聚合物中的导热填料有越状、片状、纾维状等形状。汪霹获莓裁簏A 1 N的晶须、纤维、粉体作填料。用模压法制备了复合电子基板A I N UH M W P E。实验结果表明其导热效果以万方数据填充A 1 N 晶须最好，纤维次之，粉体最差；当蘸须捧积分数为0 3 时，热导率可以达到2 4 4 w(m K)。导热填料经过超细微化处理可以有效提高其自身的导热性熊；嗣对使用一系列趁经不同的藏子，让填料间形成最大的堆砌度，可以提商复合材料的导热
15、性能。唐明明等研究了微米氧化铝和纳米氧化铝填充丁苯橡胶慝酶导热髅能，结果袭明在樱溺填充量下。纳米氧化铝填充的导热橡胶比微米氧化锯填充的导热橡胶具有照好的导热性能，并且以一定比例混合豹纳米氧化铝襁微米氧化锯填充昀导热橡胶，其导热效果要优于单纯使用微米纳米氧化铝填充的橡胶。X uYS 等1 2 6 1 研究了A l N 粉末及晶须填充的环氧、聚编氟乙烯(P V D F)复会塑料导热性能，发蕊翔7 瑟m粒子和晶须以2 5：1 质擞比混合，总体积为6 0 时。P V D F 的热导率达1 l。5 W(m K)。3。3 嵩分子萋傣与填糕阚界面的影响热量在复合材料中的传导实质上就是对晶格振动的传递1 2，
16、嘲匕导热绝缘高分子复合材料是由导热填料荦f l 高分子基体复合而成的多榴体系，在传递晶格振动时，不可避免地要经过许多高分子一填料界面，增加界面结合强度，能提高复合材料的导热饿能。根据填料一高分子界面的结合情况，界面结合强度通常按照“润湿不良一润湿良好一有效建合”3 种状态逐步热强。李宾等f 3 0 l 以Z n O 填充乙烯一醋酸乙烯共聚物(E V A)，制备了一种导热绝缘的封装复合材料，考察了K 差一5 5 0(氨基丙基三乙氧羞碴烷)、K H 一5 6 0(嚣氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷)、硬脂酸、F 一3 磷酸酯等不同界面处理剂对绝缘高分子复合材料导热性能斡影镌。用硬滕酸处理Z n O 后，可
17、使Z n O E V A 复合材料的导热率提高1 2，效果最好；用K H 一5 5 0处理Z n O 后，不能提高复合材料的导热率。研究结果表明填料界面处理裁能否提高复合材料的热导率，关键在于经过处理后，能否在界面处形成有效的键合。Y u ns h e n gX uf 3 I】磅究了用予电子封装材料的A 1 N 高分子复合材料，实验结果表明采用A l N 晶须填充聚四氟乙烯和聚环氧乙烷时。用硅油处理过的A l N 照须填充聚坪氧乙烷鹰制得麴复合材料比不用硅油处理填料得到的热导率要提高9 7。长径比为1：2 5 7，用硅油处理过的A I N 晶须，当体积填充分数鸯6 0 对，褥到酶复合材料懿热嚣
18、率最大，为l l。Ow(m K)。这是因为破油改善了晶须表面，使晶须与基体能更好的结合，减少了填料和离分子基体接触面上的气孔，扶丽减小了接触热阻。3 4 填料在高分子基体中分散状态的影响基予填充型导热绝缘离分子材料的导热机理，材料导热的关键在予其中的导热填料能否形成导热网络，所以填料在高分子基体中分散状态对材料的热导率有很大的影响。g 本专剿援道f 3：I，将反磁材料粉(氧化锅、氮化硼、氮化硅)与顺磁材料粉(铁、镶、氧化铁)加入到电绝缘性的基体树脂(聚烯烃、聚酰胺、聚酯等)申，在模具申成型处理孵慈热磁场，使簇辫磁力线的方向取向，各簇由反磁材料粉的反磁材料颗粒结合成链状；以及，沿模具的成型面之一
19、用磁力吸引顺磁嚣料粉，放 嚣形成散热屡。默对岛部件传导裂缝缘体一个表面的热孱，经由簇快速传导黛绝缘体的另一表面，并且从存在子另一表面的散热层有效散发。此高导热性绝缘裙料的形成必须保证填料翡毙铡，反磁材料粉占1 0 4 0(体积百分比)。顺磁材料粉占5 2 0(体积酉分比)。4 结柬语替代陶瓷和高分子佟为电子热界筒和热封装材料的商导热绝缘高分子复合材料具有极其广黼的应用前景。目前，网内外对于高导热绝缘高分子复合材料的研究，还仅鼹限予筒单鳇共混复合，所得材料静导热系数还不高，导热绝缘高分子复合材料在导热机理和应用开发等方面的研究还远不如导电材料的研究深入，熬导率灏测理论也只局限予功能材料各组分热导
20、率的经验模拟，缺乏导热机理的理论支持。因此，纳米导热填料的研究和开发；聚合物基体的物理化学改性；聚合物基体与导热填瓣复合耨技本的探索；导热机理(特别是聚合物基体与导热填料界面的结构与性能对材料导热性能的影响及导热同类的形成等)的研究等将成为高导热绝缘高分子复会材料研究酶方向。参考文献：【l】P r o c t e rP S o l cJ I m p r o v e dT h e r m a lC o n d u c t i v i t yi nM i c r o-e l e c t r o n i cE n c a p s u l a t e s J】。I E E ET r a n sC o
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23、r o n i cE n c a p s u l a t e s fC 1(2)：1 8 T h e r m a lC o n d u c t i v i t yi nM i c r o-D e x t e r sT e c h n i c a lP a p e r，1 9 9 9【5 lP e c h tMO，N g u y e nLT，H a k i mEB。P l a s t i cE n c a p s uL a t e dM i c r o e l e c t r o n i c s【M1 N e wY o r k；W i l e y，1 9 9 5【6 1C h o yCL，L u
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32、 0，2 0(8)：1 1 9 7 1 2 0 3【2 0】R a v i n d r aM a n g a lNS，S a x e n aMS，S r e k a l aS，e ta 1 T h e r m a lP r o p e r t i e so fP i n e a p p l eL e a fF i b e rR e i n f o r c e dC o m p o s i t e s J】M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g2 0 0 3 A 3 3 9：2 8 1 2 8 5【2 1】S u g i
33、m ot oT o s h i o。K a w a g u c h iS a d a h i k o C a s t a b l eE p o x yC o m p o s i t i o n sa n dT h e i rC u r e dP r o d u c t s：J P。0 6 1 5 7 7 1 8 P】1 9 9 4 0 7 0 6。f 2 2】W o n h oK i m，J o n g t o oB a e，T h e r m a l l yC o n d u c t i v eE M C(E p o x yM o l d i n gC o m p o u n d)E n c
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37、。3 4(2)；2 1 9 2 麓。【3 1】Y u n s h e n gX u。DDLC h u n g。C a t h l e e nM r o z。T h e r m a l l yC o n d u c t i n gA I u m i n u mN i t r i d eP o l y m e r m a t r i xC o m p o s i t e sf J l C o m p o s i t e s：P a r tA，2 0 0 1，3 2：1 7 4 9。i 3 2】内掰安刚，藤原秀之。中村祥缴，等高萼热性绝缘体致冀翻造方汝：C N 1 0 1 0 4 5 8 5 8 P
38、】2 0 0 7 一l O 一0 3 万方数据高导热绝缘高分子复合材料的研究进展高导热绝缘高分子复合材料的研究进展作者：王文进，李鸿岩，姜其斌，WANG Wen-jin，LI Hong-yan，JIANG Qi-bin作者单位：株洲时代新材料科技股份有限公司,湖南,株洲,412007刊名：绝缘材料英文刊名：INSULATING MATERIALS年，卷(期)：2008，41(5)引用次数：0次 参考文献(32条)参考文献(32条)1.Procter P.Solc J Improved Thermal Conductivity in Microelectronic Encapsulates 19
39、91(4)2.Ishida H.Rimdusit S Very High Thermal Conductivity Obtained by Boron Nitride-filledPolybenzoxazine 19983.Bujard P.Kuhnlein G.Ino S Thermal Conductivity of Molding Compounds for Plastic Packaging 1994(4)4.Procter P.Solc J Improved Thermal Conductivity in Microelectronic Encapsulates 1999(2)5.P
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41、,High Thermal Conductivity Greases 199811.Choy C L.Chen F C.Luk W H Thermal Diffusivity and Conductivity of Crystalline Polymers12.Choy C L.Yang G W.Yong Y W Thermal Diffusivity of Polymer Films by Pulsed Photothermal Radiometry13.Silverstein M S.Breuer O Mechanical Properties and Failure of Etched
42、UHMW-PE Fibres 1993(z2)14.石彤非.李树忠.张万喜 填充型导热塑料期刊论文-高分子材料科学与工程 1993(3)15.Agari Y.Ueda A.Nagai S Thermal Conductivity of a Polymer Composites 1993(9)16.Agari Y.Ueda A.Nagai S Thermal Conductivity of a Polyethylene Filled with Disoriented Short-cutCarbon Fibers 1991(6)17.Agari Y.Ueda A.Nagai S Thermal C
43、onductivity of Composites in Several Types of Dispersion Syatems1991(6)18.Wu C G.Liu Y C.Sheng S Assembly of Conducting Polymer/Metal Oxide Muhilayer in One Step 199919.Giuseppe P.Ikuko K.Sadao M Thermal Conductivity of AN/polystyrene Interpenetrating Networks2000(8)20.Ravindra Mangal N S.Saxena M S
44、.Srekala S Thermal Properties of Pineapple Leaf Fiber ReinforcedComposites 200321.Sugimo to Toshio.Kawaguchi Sadahiko Castable Epoxy Compositions and Their Cured Products 199422.Wonho Kim.Jong-too Bae Thermally Conductive EMC(Epoxy Molding Compound)Encapsulation 1999(4)23.叶昌明.陈永林 热传导高分子复合材料的导热机理、类型及
45、应用期刊论文-中国塑料 2002(12)24.汪雨荻.周和平.乔梁.陈虎.金海波 AlN聚乙烯复合基板的导热性能期刊论文-无机材料学报 2000(6)25.唐明明.容敏智.马传国.章明秋.叶建荣 Al2O3的表面处理及粒子尺寸对SBR导热橡胶性能的影响期刊论文-合成橡胶工业 2003(2)26.Yunsheng Xu.D.D.L.Chung.Cathleen Mroz Thermally Conducting Aluminum Nitride Polymer MatrixComposites 2001(12)27.奚同庚 无机材料热物性学 198128.南策文 非均质材料物理 200529.C
46、hoy C L.Luk W H.Chen F C Thermal Conductivity of Highly Oriented Polyet-hylene 1978(2)30.李宾.李壮.郑彬.孙斌.戴干策 聚合物基导热绝缘复合材料的性能及界面效应期刊论文-华东理工大学学报（自然科学版）2008(2)31.Yunsheng Xu.D D L Chung.Cathleen Mroz Thermally Conducting Aluminum Nitride Polymer-matrixComposites 200132.内田安则.藤原秀之.中村祥宜 高导热性绝缘体及其制造方法 2007 相似文
47、献(10条)相似文献(10条)1.期刊论文 张晓伟.饶保林.夏宇 粉体种类对高导热换位填充腻子性能的影响-绝缘材料2009,42(6)采用绢云母粉,-氧化铝粉及硅微粉制备了换位填充腻子,研究了粉体用量对固化物性能的影响.结果表明:采用云母粉填充时,固化物的热变形温度最高,达190200,但导热系数最小,仅为0.91.0 W/(mK);采用-氧化铝填充时,最大填充量可接近80%,固化物的导热系数可达2 W/(mK);采用硅微粉填充时,固化物的性能介于云母粉和-氧化铝粉填充固化物性能之间.2.期刊论文 孙坤.雍岐龙.裴和中 高导热电绝缘陶瓷的研究方向及应用前景-昆明理工大学学报(理工版)2002,
48、27(6)介绍了高导热电绝缘陶瓷的性能、制备,并从研究现状出发讨论了这类材料目前的一些研究方向,同时也对高导热电绝缘陶瓷的应用前景作了一些讨论.3.学位论文 周文英 高导热绝缘高分子复合材料研究 2007 绝缘导热高分子材料对于高频微电子元器件散热，提高其精度、延长寿命具有愈来愈重要作用。本文以甲基乙烯基硅橡胶为基体，氧化铝和氮化铝无机粒子为主要导热填料制备出综合性能优良的导热弹性垫片。以三类聚乙烯(线形低密度聚乙烯、高度聚乙烯、超高分子量聚乙烯)为基体，氮化硼、氮化硅为主要填料，制备出高热导率电绝缘复合塑料。借助于自行研制出的高分子复合材料热导率及热阻测试仪器，以及示差扫描量热法、傅立叶红外
49、光谱、热失重分析、扫描电镜等现代分析手段详细研究了填料种类、含量、粒径、制备工艺等因素对复合材料热导率、热阻、电绝缘性、介电、力学性能、结构及其它性能影响。实验研究发现：1绝缘导热硅橡胶研究 (1)硅橡胶热导率及热阻随氧化铝、氮化铝用量增加而分别升高和降低，填料用量达临界值后，热导率增加迅速。氮化铝加速了硅橡胶硫化，氧化铝对硫化影响不明显，两种填料均明显提高了硅橡胶热稳定性，降低了体系热膨胀系数。随填料用量增加，硅橡胶体积电阻率、表面电阻率、介电性能及介电强度性能均有所下降，但仍然保持良好的电学性能；力学性能随填料增加而下降。(2)大粒子填料形成导热通路能力强于小粒子，形成更稳定导热通路；小粒
50、子填料更有利于提高硅橡胶力学性能。不同粒径填料粒子按照适宜比例混合组成混杂填料，所得硅橡胶具有最高热导率。对于二元混杂粒径填料，小粒子体积用量占总用量的2035之间时体系的热导率、拉伸强度、介电常数、热膨胀系数均能达到最佳值。氧化镁晶须和导热粒子混杂填料填充硅橡胶热导率优于等量单一粒子填充效果，力学性能有改善。(3)适宜成型压力和时间减少了材料内部空隙率，提高材料致密度，改善热导率和电学性能。偶联剂降低了材料界面处缺陷和孔洞，抑制了界面处声子散射现象，增大声子平均自由程，提高了热导率。然而，偶联剂过量降低体系热导率。偶联剂增强了两相界面粘接，提高了硅橡胶力学强度。(4)以电子级玻璃布为增强体制