高导热聚合物基复合材料研究

余阳洋 汪迪良 顾锋雷 刘金凤 王雨朦 刘文峰

摘要：随着我国电力企业的发展，以及电子技术的不断进步，其中设备的发热问题的也越来越迫切。而为了能够有效缓解或解决这一问题，进行有效的散热便成为了主要研究方向。而聚合物憑借着较低的成本以及优秀的性能而成为了学者们下主要研究的目标。

关键词：高导热;聚合物基;复合材料

引言：现阶段，电子及电力设备的功率越来越大，而设备的尺寸却不断的在减小，在特高压交流和直流系统中这种情况尤为明显。而这一情况也导致了设备的散热性能出现了严重的缺陷，对设备寿命产生了不利的影响。而随着高导热聚合物基复合材料的运用则能够很好地提高材料导热性，解决了设备散热问题。新型材料的开发和制作技术的发展也都对复合材料的微观设计开发商提供了参考价值。

一、聚合物材料的导热性能

从宏观的角度看，热传递效果是通过微观粒子的活动所产生，而材料的微观结构不同，导热性能也存在差异。分子与分子的相互作用也是热量进行传递的主要途径，热量在固态材料中的传递则是依靠电子和光子等传热介质来做到的，固体物质的不同，其导热介质也存在差异。其中，金属的导热介质通常为电子，并且是自由电子，他们不会受到约束，能够做到相互之间自由碰撞，以此来做到对热量的高效传递。在无机非金属以及绝缘材料中，很少会有自由电子，而电子传热则不能解释其中的热传递效果，而其中的导热效果其实是通过晶格振动来做到的。在量子理论中，将晶格振动进行量子化，运用声子概念，以此来解释这两种材料内部的导热过程，也就是声子热扩散活动。材料的散热效果直接决定了其导热性能，而物质导热率的计算一般情况下都是以德拜方程来运算。

在该方程中， 表示材料的体积比热容，而 则代表声子运动效率， 为声子的平均运动行程。

通过该方程可以得出结论，材料的导热性主要被声子的平均自由行程所左右。无机非金属材料因为其内部的晶体构造有着比较高的声子平均自由行程，所以通常导热性能较高。多数聚合物材料的分子结晶程度普遍较低，并且晶体的结构没有规律可循，非晶区的存在以及材料制作中的不足都可能会致使声子的散射被影响，进而使材料内部的声子热扩散效应被约束，导热性较差。

二、高导热无机填料的研究状况

高导热聚合物基复合材料的导热效果的提升关键就在于其中填料的选取，一些金属颗粒虽说有着较高的热导率而得到了普遍的运用，不过这些填料在提高热导性的时候也会影响聚合物的电气绝缘效果。比如，会导致电导率和介电常数急速上升，从而无法运用到聚合物基复合材料中。所以，绝缘领域普遍重视的是拥有较高本证热导率并且还有着优秀绝缘效果的无机颗粒。表1则列出了通常用到的无机填料的导热率。

三、高导热聚合物基复合材料的微观结构设计方案

（一）高导热颗粒的选择

像是氮化硼纳米管和氮化硼纳米片等高导热填料通常都有着不同的导热效果，在某个方向上的导热性较强。在需要导热性具备一定方向性时，可以将填料进行定向分布，在需要的方向中复合材料能够具备较为优秀地导热性。当前运用在高导热聚合物材料内填料的选择的方法通常分为机械剪切或是外加电场等措施。

（二）混合填充

把类型和大小都不一样的导热填料混合填充可以更好地运用材料的性能，以便于得到性能更好的复合材料。混合式填充不但可以促进粒子与粒子之间产生更多的传热通路，并且还可以降低材料的颗粒填充量。将粒径颗粒不同的材料通过填料的规格进行配合，以此来提高颗粒之间的导热能力。把微纳米混合氮化硼填充到聚乙烯中，可以发现，同样的含量情况下，混合填充与微米填充对比拥有着更优秀的导热效果。这是由于复合材料内部微米结构能够当作导热体系的主结构，而纳米材料填补微米与微米之间的间隙，以此来产生导热链。

形态和种类不同的颗粒之间的混合填充能够最大化发挥其协调效果，整体控制复合材料的各个能力。通过研究可知，通过运用体系分数约28%-32%的氮化硼和体积分数2%左右的多壁碳纳米管填充环氧树脂，此时复合材料的导热率大约是平常的约745%。将氮化硼纳米管和氮化硼纳米片填料混合填入环氧树脂中，可以显著地提高其导热效果和电绝缘效果。混合填充料的使用，让类型和效果不同的颗粒能够进行同时作用，整体上提高了复合材料的功能性，不过如何选择更为合理的混合材料还需要进行不断地探索与实验。

（三）双逾渗结构

作为最初便运用在导热材料设计过程中的材料，双逾渗结构可以有效地减少材料整体填充颗粒含量。运用在高导热复合材料中的双逾渗结构的设计理念大体上和导电材料的设计一致，把填充材料加入到两个不同的聚合物的共混材料中，使得粒子有选择地分散到一个聚合物内，进而做到低含量情况下的高性能材料。

结束语：本文主要就高导热聚合物复合电介质在微观情况下的导热性进行分析，并对影响其基体以及填充物的一些问题进行研究，重点详解了高导热聚合物复合电介质的微观构成。

参考文献：

[1]杜伯学，孔晓晓，肖萌，李进，钱子明. 高导热聚合物基复合材料研究进展[J]. 电工技术学报，2018，33（14）：3149-3159.

[2]吴广力，焦剑，邹亮，刘攀博. 高导热聚合物基纳米复合材料的研究进展[J]. 中国胶粘剂，2011，20（12）：55-60.