聚合物基复合材料的导热性能影响因素浅谈

文/张 勇

聚合物基复合材料的导热性能影响因素浅谈

文/张 勇

导热聚合物材料按制备工艺可以大致分为本征型导热聚合物和填充型导热聚合物。本征型导热聚合物材料是在聚合物合成及成型加工过程中通过改变分子和链节结构，或者通过外力的作用改变分子和分子链的排列来获得特殊物理结构，从而提高材料的导热性能，但是目前想制备这种本征型导热高分子材料比较困难且代价高昂；填充型导热高分子材料，是通过向聚合物基体中添加高导热填料的方法来制备。因此目前国内外导热聚合物材料的研究主要集中在填充型导热聚合物材料方向。

导热聚合物；材料；导热性能；制备填充型

1　本征型导热聚合物的研究进展

制备本征型导热聚合物材料的主要途径：①合成具有高导热的共轭结构聚合物。如聚乙炔、聚苯胺和聚噻吩等，通过电子导热机制实现热传导。②通过外界的模压或者定向拉伸，以及外加电场或者磁场等外力使小分子单体在聚合的时候有序排列，从而增加其聚合物的有序性和结晶度，进而通过声子振动来获得本征型导热绝缘高分子材料。③在制备聚合物材料的时候，尽量减少材料内部的缺陷，从而通过减少声子散射来提高材料本征导热系数的方法。④可以通过化学合成刚性链或者容易结晶的小分子单体或者在分子链上引入液晶结构，这样的小分子单体聚合以后可以使聚合物的结晶度或者分子间的作用力增强，从而提高聚合物的导热系数。

2　导热性能影响因素

影响聚合物基复合材料的导热性能的因素诸多，主要有填料的形状、大小、添加量、界面积、在基体中的分散性、取向性、与基体的界面结合等因素。另外，基体以及无机填料本身的导热性能也直接影响聚合物复合体系的导热系数。研究表明，根据填料单一的物理参数来预测聚合物复合体系的导热性能是不可取的，聚合物和填料各种因素的综合效应决定了聚合物复合体系的导热性能。导热填料对聚合物复合材料导热性能的影响可以归纳为下列几点：

2.1填料本身的导热性能及添加分数

填料的导热系数越高，聚合物基复合材料的导热性能就会越好，这是很容易理解的道理。填料的添加分数对导热性能的影响与填料以及聚合物本身的导热性能相关联：当填料的导热系数远大于聚合物导热系数时，随着高导热填料添加分数的增加，复合体系的导热系数增大。

2.2填料尺寸大小和形状

非金属填料填充的聚合物复合体系热量的传递载体主要是声子。根据物理学理论，大的界面面积会增加两相间的声子散射，从而增大热传导的阻力。从这一点我们可以推断，在同样的添加量下，填料尺寸越大，界面面积就越小，聚合物复合体系的导热性能会越好。然而，在最近的一些研究中却得到了相反的结果。至今仍然无法清楚地解释这一原因。填料尺寸分布的因素可能是造成这一现象的原因。填料的形状对聚合物复合体系的导热性能具有重要影响。研究表明，具有高比表面积的填料如晶须状和片状填料分布在聚合物基体中更容易形成声子导热通道，有利于导热性能的提高。

2.3填料微观分布

声子导热通道的形成依赖于填料粒子相互接触，并形成网状结构。填料在聚合物基体中的分散性和相互接触的状态有利于声子导热通道的形成。事实证明只追求填料在聚合物中的良好分散性是远远不够的。

2.4多组分填料对填充复合体系导热性能的影响

复合材料的导热性能受界面热阻的影响，降低界面热阻是提高导热性能的方式之一。填充多组分高导热无机填料，一方面增加声子导在不同晶体的声学错位，另一方面有可能降低填料之间的界面热阻。

3　导热聚合物研究中存在的问题

虽然各个国家在高导热聚合物基材料的研究上投入了大量的人力物力，并且高导热聚合物材料也获得了初步的应用。但由于聚合物本身较低的导热系数或者通过掺杂高含量的导热填料获得的高导热性能的同时所引起的机械等性能急剧恶化等问题的存在，说明现有的材料还不是理想的导热填料。所以目前理想的高导热材料的制备研究中的存在的主要问题可以总结为以下几点：

①合成新型本征导热聚合物。本征型聚合物不使用导热粒子，在高聚物合成和成型加工过程中通过改变聚合物分子和链节的结构而提高导热性能。

②对于填充型的高导热合物基复合材料，高导热填料的有效选择。

③导热填料表面改性和在聚合物基体的分散。

④有效导热模型的建立。无论是本征型还是填充型的导热聚合物材料的研究，都是很重要也极具挑战的研究，除了上述提到的几个比较基本研究问题外，还有很多问题有待解决。

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（作者单位：成都理工大学，材料与化学化工学院）