粉体填充聚合物材料的热传导理论

＊靳晓雨

（佛山市三水金戈新型材料有限公司 广东 528131）

粉体填充聚合物材料的热传导理论

＊靳晓雨

（佛山市三水金戈新型材料有限公司 广东 528131）

粉体填充聚合物技术本身为NASA的航空材料技术，为了解决航天器重量和导热性的矛盾设置的折中技术。但近年来，因为该技术的逐渐成熟和普及，国内越来越多的手机外壳使用了纳米粉体颗粒填充聚苯乙烯技术作为导热外壳。本文重点研究多种不同方案对粉体填充聚合物的导热性质的影响。

粉体填充聚合物；热传导；导热系数

粉体填充聚合物是通过在聚合物中填充不同材料的粉体，以改善聚合物性质的重要手段。因为成本目标的影响，目前的电子产品外壳多采用聚合物材质，但聚合物材质导热性能差，容易造成电子产品散热性能不良。之前在结构学上采用在聚合物外壳内贴石墨乙烯层的方式加强散热，或者部分高端手机采用铝合金边框的形式加强散热，但散热性能均不能达到理想状态。所以，近年来通过在聚合物中添加均匀的导热粉体，形成导热聚合物。

1.粉体填充聚合物理论

有多种理论模型证实粉体填充聚合物的导热效率和系统强度之间的关系。在确保粉体填充聚合物强度的基础上，对粉体填充聚合物的内部结构进行充分的革新，使其强度增加且热导性系数增大是此类研究的主要目的。本文重点研究粉体填充聚合物的热导系数问题，而没有考察其强度和其他特性问题。所以本文对粉体填充聚合物热导率理论进行了简化。

根据Russell理论，聚合物本身的热导率、粉体热导率对复合材料的热导率都有影响，其影响规律如公式（1）。

其中：V为填充粉体占总体积的体积分数。λ1为聚合物本身的热导率。λ2为粉体热导率。λ为复合材料的热导率。

根据该理论，在恒定的聚合物热导率环境下，填充恒定比例的粉体，则粉体的热导率越高，粉体填充聚合物的热导率就越高。而同样在恒定的聚合物热导率环境下，填充恒定热导率的粉体，那么填充粉体的比例越高，粉体填充聚合物的热导率就越高。因为聚合物的热导率明显低于粉体，所以，粉体填充聚合物的热导率不可能超过填充粉体材料的热导率。而填充粉体的比例增加到一定程度，粉体填充聚合物的物理抗性会下降，使得粉体变脆容易折断。所以，我们研究尽可能低的粉体填充比例形成尽可能高的粉体填充聚合物热导率。这就需要研究填充粉体的种类、形态、比例对粉体填充热导率的影响。

综上，本文研究的目的是充分加大粉体的加入体积比，让V参数在确保系统强度的情况下充分放大，以获得足够高的导热系数。虽然本文对系统强度不做具体研究，但粉体的填充体积比可能严重影响粉体填充聚合物在薄层和细长状态下的强度。所以，在加大体积比的同时，还应该保证恒定体积比下通过选择合适的粉体材料让系统提供更大的热导系数。

2.不同填充材料的实证影响

因为石墨乙烯材料最早用来制作贴片进行聚合物材料的热导率改善，所以最早用来进行粉体填充的粉体材料是石墨粉体和氮化铝粉体。经过理论计算和实证研究，石墨粉体和氮化铝粉体对粉体填充聚合物的的影响是类似的。而且，其实测值都略高于理论值。

石墨本身的热导率较高，在填充比例达到50%的时候，就表现出明显的热导系数的提升，达到了2．2W·（m·K）-1以上。但是，石墨与大部分聚合物的热涨系数并不一致，这就导致了石墨粉体填充的聚合物容易出现过早的蜂窝状老化的现象。蜂窝状老化出现后，石墨粉体填充聚合物的热导性能就会急剧下降。所以，石墨粉体填充材料在出现后不久就开始被下一代产品所替代。

氮化铝是一种热涨系数更接近聚苯乙烯聚合物的专用填充用化合物粉体，因为良好的热涨同步性，所以氮化铝粉末在聚苯乙烯中的填充可以达到很高的比例。实测中，氮化铝颗粒的填充量可以达到60%。而当氮化铝填充量达到40%以上时，因为氮化铝粉末颗粒之间出现了泡沫状的联合，其导热性能出现指数型的上涨。特别是氮化铝粉末颗粒的填充比例达到60%时，其实测值已经远高于理论值（此时理论值约1．5W·（m·K）-1，实测值达到了4．3W·（m·K）-1）。但是，单纯对氮化铝的粉体填充研究并不能彻底满足电子产品的散热需要，单纯填充氮化铝粉体颗粒的粉体填充聚合物最高只能达到5W·（m·K）-1的热导系数。该系数与传统的航空铝外壳热导系数之间仍有较大的差距。

本文研究的最终目的，是让粉体填充聚合物的热导系数接近航空铝材的热导系数。为了实现该目的，本文充分研究了不同比例的粉体颗粒添加体积比的同时，还做了不同形态颗粒的粉体填充聚合物研究。

3.不同形态填充材料之间的差异

从上文分析，让填充粉体颗粒之间形成交联，形成蜂窝状的导热结构，可以大幅度提升分体填充聚合物的导热系数。因为粉体填充聚合物的导热性能主要依靠粉体颗粒实现，当粉体颗粒之间距离足够近，特别是当粉体颗粒之间发生物理连接的时候，粉体填充聚合物的导热性能就会明显增加。

在纳米技术的支持下，特别是纳米热成型技术的支持下，可以将粉体颗粒在高目数下做成任何形状。本文研究了球形颗粒、纤维颗粒、片状颗粒对热导系数的曲线影响。通过实证对比分析，球形颗粒更接近理想状态模型的计算结果（如公式（1）），片状颗粒略向上偏离路线，在V达到30%时，其实际读书达到预期值的5倍左右。当V达到45%前后，略向下弯。而V达到50%以上时，继续呈指数放大趋势。

在纤维状粉体颗粒中，因为其长轴短轴比例特别大，所以，在体积密度达到10%时，其交联特性就开始发挥，当其体积密度达到30%左右时，其热导系数就达到了9W·（m·K）-1。通过对比，本文实验完全支持粉体颗粒使用纤维型纳米构造。

4.效果讨论

采用纤维状粉体颗粒效果更好。纳米纤维技术是当前较普遍的纤维技术。本文研究中发现石墨颗粒和氮化铝颗粒之间的比较中，氮化铝颗粒更加适应作为填充粉体。因为目前的纳米粉体颗粒技术，氮化铝更容易形成不同的形状。而石墨颗粒在较早的纳米颗粒技术中，其可塑性低于氮化铝。

但是因为氮化铝纤维难以形成较小的直径，所以也就难以形成较大的长轴短轴比例。而碳纳米管的技术逐渐成熟，特别是石墨烯技术的逐渐成熟，让后续研究对碳基粉体颗粒的应用逐渐被研究机构重视。

5.结束语

通过分析，使填充粉体的长轴短轴比例足够大，同时合理的增加填充粉体的体积比，可以让填充粉体聚合物的导热系数达到理想的效果。在后续研究中，通过使用单体导热系数更高的颗粒材料，通过使用更合理的填充粉体颗粒形态，通过合理调整粉体填充颗粒物的填充比例，可以做出超越航空铝材的粉体填充聚合物材料。

[1]高本征,胡妞,黄山.不同粒径球形氧化铝粉体填充硅橡胶热导率研究[J].当代化工.2015-07(21):63-65.

靳晓雨（1982～），男，佛山市三水金戈新型材料有限公司，研究方向：聚合物改性及功能性粉体开发。

((责任编：李鹏波)

Thermal Conduction Theory of Powder-filled Polymeric Material

Jin Xiaoyu

(Sanshui Jinge New Materials co., ltd of Foshan, Guangdong, 528131)

Powder-filled polymer technology belongs to the NASA aeronautical material technology and it is the compromise technology set for solving the contradiction between spacecraft weight and thermal conductivity. However, recently, because of the gradual maturity and popularity of this technology, more and more domestic mobile phone shells have adopted the nanometer powder-filled polystyrene technology as the thermal conductivity shell. This paper has focused on studying the influence of different plans on the thermal conductivity property of powder-filled polymer.

powder-filled polymer；thermal conduction；thermal conductivity coefficient

T

A