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1、POLYMERMATERIALSSCIENCEANDENGINEERING2000年7月Jul.2000α导热高分子材料的研究与应用储九荣,张晓辉,徐传骧(西安交通大学电气工程学院电气绝缘研究所,陕西西安710049)摘要:介绍了金属材料、非金属材料、高分子材料的导热机理,以及导热填料搀杂高分子材料的导热理论模型。综述了各种高导热填料的研究进展和它们在导热高分子材料中的应用情况。最后提出了导热高分子材料的研究方向。关键词:导热高分子材料;导热机理;导热填料;应用文章编号:100027555(2000)0420017205中图
2、分类号:TQ317文献标识码:A传统的导热物质多为金属如Ag、Cu、Al和金属氧化物如Al2O3、MgO、BeO以及其它非金属材料如石墨、炭黑、Si3N4、AlN。部分材料的热导率见Tab.11。另据报道导电有机物质包括聚乙炔、聚亚苯基硫醚、聚噻吩等也具有良好的导热性2。用导电性有机物质作填料可以改善材料的相容性、加工性、导热性能,并可以减小材料的密度,且导电有机物质在不纯的情况下将成为绝缘体。用人工合成的高分子材料代替传统工业中使用的各种材料,特别是金属材料,已成为世界科研努力的方向之一。由于高分子材料大多是热的不良导体(
3、见Tab.2)3,为了制造具有优良综合性能的导热材料,一般都是用高导热性的金属或无机填料对高分子材料进行填充。这样得到的导热材料价格低廉、易加工成型,经过适当的工艺处理或配方调整可以应用于某些特殊领域。1导热机理各种材料的导热机理是不同的。晶体的导热机理是排列整齐的晶粒的热振动,通常用声子的概念来描述。对于金属晶体,自由电子的运动对导热起主要作用,声子所作的贡献大多情况下可以忽略不计。非晶体的导热机理是依靠无规律排列的分子或原子,围绕一固定的位置的热振动,将能量依次传给相邻的分子或原子。由于非晶体可看作晶粒极细的晶体,因此也
4、可用声子的概念来分析其导热。有些晶体和非晶体,如具有较好的透射性的玻璃和单晶体,在一定温度下光子对导热起明显的作用。由上述可知,固体内部的导热载体分为3种:电子、声子、光子。由于金属中存在大量的自由电子,其热导率比非金属大得多。晶体中由于微粒的远程有序性,声子起主要作用。在非金属材料中晶体热导率比非晶体大得多。一般高分子材料本身的导热性较差,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导热性能。但填料的加入往往降低了材料的强度性能。填料自身的导热性能及其在基体中的分布形式Tab.1Thermalconductivit
5、yofmetalsandmetallicoxidesMaterialΚ[Wƒ(mrK)]MaterialΚ[Wƒ(mrK)]AgAlCuMgFe41719038010369BeOMgOAl2O3CaONiO21936301512Tab.2ThermalconductivityofpolymericmaterialsMaterialPEPVCPSPMMANylonΚ[Wƒ(mrK)]0.330.13～0.170.080.17～0.250.25随着工业生产和科学技术的发展,人们对导热材料提出了新的要求,希望材料具有优良的综合性能
6、。如在化工生产和废水处理中使用的热交换器既需要所用材料具有导热能力,又要求其耐化学腐蚀、耐高温。在电气电子领域由于集成技术和组装技术的迅速发展,电子元件、逻辑电路的体积成千成万倍地缩小,则需要高散热性的导热绝缘材料。近几十年来,高分子材料的应用领域不断拓展,α收稿日期:1999-03-23作者简介:储九荣,男,29岁,博士生.18高分子材料科学与工程2000年决定了整体材料的导热性能4。1.1金属材料的导热机理金属的热导率Κ可用下式表示:Κ=Κe+Κp式中Κe为热导率的自由电子分量;Κp为声子分量。对于纯金属,Κe远远大于Κ
7、p,所以,Κ≈Κe。故金属的导热性能主要取决于自由电子的运动。每种金属元素所固有的价电子可以从一个原子跑向另外一个原子,也就是说金属原子之间有电子流在流动,这种电子流就将热量从一个金属原子传向另一个金属原子5,6。在室温及高于室温的条件下,纯金属热导率与电导率之间的关系符合Wiedman2Franz定律:Κe=LrΡrT1.2非金属材料的导热机理非金属的导热主要依靠声子。非金属可分为晶体非金属和非晶体非金属两类。晶体非金属其热导率仅次于金属。虽然它是介电体,仍是一种较好的导热体。金刚石(I型)Κ=900Wƒ(mrK),是室温
8、下热导率最高的物质。热导率特别高的晶体非金属是非常纯的单晶体,无杂质及错位等缺陷,只有声子相互间散射带来的热阻。温度降低时,声子相互散射减弱,由其引起的热阻以近似指数的规律下降,直到声子自由程被单晶体的界面限制时热阻才回升(见Fig.2)5。与有序的晶体相比,非晶体非金属的规律性差,引起声
