隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們對導(dǎo)熱材料提出了新的要求,希望材料具有優(yōu)良的綜合性能。如在化工生產(chǎn)和廢水處理中使用的熱交換器既需要所用材料具有導(dǎo)熱能力,又要求其耐化學(xué)腐蝕、耐高溫。在電氣電子領(lǐng)域由于集成技術(shù)和組裝技術(shù)的迅速發(fā)展,電子元件、邏輯電路的體積成千成萬倍地縮小,則需要高散熱性的導(dǎo)熱絕緣材料。
  
近幾十年來,高分子材料的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，用人工合成的高分子材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)工業(yè)中使用的各種材料,特別是金屬材料,已成為世界科研努力的方向之一。由于高分子材料大多是熱的不良導(dǎo)體(見圖二,為了制造具有優(yōu)良綜合性能的導(dǎo)熱材料,一般都是用高導(dǎo)熱性的金屬或無機(jī)填料對高分子材料進(jìn)行填充。這樣得到的導(dǎo)熱材料價格低廉、易加工成型,經(jīng)過適當(dāng)?shù)墓に囂幚砘蚺浞秸{(diào)整可以應(yīng)用于某些特殊領(lǐng)域。
 
1、 概述
傳統(tǒng)的導(dǎo)熱物質(zhì)多為金屬如Ag, Cu, Al和金屬氧化物如Al2O3, MgO, BeO以及其它非金屬材料如石墨,炭黑,Si3N4,AlN。隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們對導(dǎo)熱材料提出了新的要求,希望材料具有優(yōu)良的綜合性能。如在化工生產(chǎn)和廢水處理中使用的熱交換器既需要所用材料具有導(dǎo)熱能力,又要求其耐化學(xué)腐蝕、耐高溫。在電氣電子領(lǐng)域由于集成技術(shù)和組裝技術(shù)的迅速發(fā)展,電子元件、邏輯電路的體積成千成萬倍地縮小,則需要高導(dǎo)熱性的絕緣材料。近幾十年來,高分子材料的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展,用人工合成的高分子材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)工業(yè)中使用的各種材料,特別是金屬材料,已成為世界科研努力的方向之一。在導(dǎo)熱材料領(lǐng)域,純的高分子材料一般是不能勝任的,因為高分子材料大多是熱的不良導(dǎo)體。
 
在注塑加工工業(yè)中,導(dǎo)熱塑料最大和最重要的應(yīng)用是替代金屬和金屬合金制造熱交換器[3]。它可以代替金屬應(yīng)用于需要良好導(dǎo)熱性和優(yōu)良耐腐蝕性能的環(huán)境,如換熱器、太陽能熱水器、蓄電池的冷卻器等。電子電器工業(yè)也是應(yīng)用導(dǎo)熱塑料較多的一個領(lǐng)域,主要用來制造要求較高的導(dǎo)熱電路板。另外在用作輸送、盛裝、封閉、裝飾、埋嵌等材料,以及滿足某些制品在固化時的尺寸穩(wěn)定性的要求方面也有應(yīng)用。
 
在橡膠工業(yè)中,關(guān)于導(dǎo)熱橡膠制品的研究開發(fā),重點集中在以硅橡膠和丁腈橡膠為基質(zhì)的領(lǐng)域內(nèi),用于制造與電子電氣元件接觸的橡膠制品,既提供了系統(tǒng)所需要的高彈性、耐熱性,又可以將系統(tǒng)的熱量迅速傳遞出去。如具有良好導(dǎo)熱性和電絕緣性能的橡膠可以用于電子電器元部件的減震器;事實上,許多橡膠制品都在動態(tài)情況下使用,由材料的形變滯后效應(yīng)所造成的體系溫升經(jīng)常是很高的,從而使得材料的動態(tài)疲勞性能下降。以往人們總是研究怎樣從配方上降低橡膠材料的動態(tài)生熱,而沒有很好地研究膠料本身導(dǎo)熱性好壞及怎樣進(jìn)一步提高的問題。
 
在粘合劑工業(yè)中,隨著電子元器件和電子設(shè)備向薄輕小方面發(fā)展,對于用作封裝和熱界面材料的導(dǎo)熱粘合劑尤其是導(dǎo)熱絕緣粘合劑的需求越來越高。散熱在電子工業(yè)中是一個至關(guān)重要的問題。比如對于電子元器件,如果熱量來不及散除將導(dǎo)致其工作溫度升高,這樣不僅會降低其使用壽命而且也將大大降低它的穩(wěn)定性。
 
如上所述,絕大多數(shù)高分子材料本身屬于絕熱性材料。要想賦予高分子材料優(yōu)良的導(dǎo)熱性,主要是通過共混(熔體共混和溶液共混等)方法在高分子材料中填充導(dǎo)熱性能好的填料。這樣得到的導(dǎo)熱材料有價格低廉、易加工成型等優(yōu)點。
 
2、 導(dǎo)熱高分子材料的制作
高分子材料是以高導(dǎo)熱性的金屬或無機(jī)元素為導(dǎo)熱介質(zhì),將其注入各類金屬(或非金屬)管狀、夾層板腔內(nèi),經(jīng)密封成形后,形成具有導(dǎo)熱性能的元件。在各種工況下,導(dǎo)熱元件內(nèi)的導(dǎo)熱介質(zhì)受熱激發(fā)產(chǎn)生動能而運動、振動,并伴隨有化學(xué)、物理變化,將熱能快速激發(fā)并呈波狀快速傳遞,這樣高速運動的粒子流載著大量的熱能,傳到冷端放熱,冷卻后又恢復(fù)常態(tài)回到加熱段繼續(xù)吸熱而傳導(dǎo)。在整個傳熱過程中,元件的表面呈現(xiàn)出熱阻趨于零的特征。這樣得到的導(dǎo)熱材料價格低廉、易加工成型,經(jīng)過適當(dāng)?shù)墓に囂幚砘蚺浞秸{(diào)整可以應(yīng)用于某些特殊領(lǐng)域。
 
3、 導(dǎo)熱的基本概念
當(dāng)物體的溫度不均勻時,熱能將從高溫部分傳播到低溫部分,使整個物體的溫度趨于一致,這種現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)。若物體中存在溫度梯度dTdx,則單位時間通過垂直于溫度梯度方向的單位面積的熱能dQdt,與溫度梯度成正比。即dQdt= -κdTdx式中,負(fù)號表示熱流與溫度梯度方向相反。κ稱為導(dǎo)熱系數(shù),它是衡量物體導(dǎo)熱性能的物理量。熱能傳輸不是沿著一條直線從物體的一端傳到另一端,而是采用擴(kuò)散形式。熱能的荷載者包括電子、光子和聲子。對于絕大多數(shù)固體物質(zhì),熱能荷載者是電子和聲子。所以,物體的總導(dǎo)熱系數(shù)為:κ=κe+κs ，對于完整的晶體電子的導(dǎo)熱系數(shù)為:κe=13vflfcev ，聲子的導(dǎo)熱系數(shù)為:κs=13v-lcv ，式中,v-為聲子平均速度,l為聲子的平均自由程,cv為聲子的熱容。對于大多數(shù)聚合物,它們都是飽和體系,無自由電子存在,所以熱傳導(dǎo)主要是晶格振動的結(jié)果,即熱能荷載者是聲子,其導(dǎo)熱系數(shù)由處理。
 
4、 導(dǎo)熱高分子的導(dǎo)熱機(jī)理
導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能最終是由高分子基體和高導(dǎo)熱填充物綜合作用決定的。作為導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料的填充物無論是以粒子還是以纖維形式,其自身的導(dǎo)熱性都遠(yuǎn)大于基體材料的導(dǎo)熱性,當(dāng)填充量比較小時,彼此能夠均勻的分散在體系中,它們之間沒有接觸和相互作用。此時填料對于整個體系的導(dǎo)熱性的貢獻(xiàn)不大,但是當(dāng)填料量達(dá)到一定程度時,填料之間開始有了相互作用,在體系中形成了類似鏈狀和網(wǎng)狀的形態(tài),稱為導(dǎo)熱網(wǎng)鏈。這樣,當(dāng)這些導(dǎo)熱網(wǎng)鏈的取向方向與熱流方向平行時,就會在很大的程度上提高體系的導(dǎo)熱性。這就類似于一個簡單的電路,當(dāng)兩個不同阻值的電阻并聯(lián)在一起時,在一定的電壓下,阻值越小的電阻對于電路中總電流的貢獻(xiàn)越大。體系中基體和填料可以分別看作為兩個熱阻,顯然基體本身的導(dǎo)熱性很差使相應(yīng)的熱阻就很大,而填料自身的熱阻是非常小的,但是體系中如果在熱流方向上形不成導(dǎo)熱網(wǎng)鏈,這使得基體熱阻和填料熱阻之間是串連的關(guān)系,因此在熱流方向上的總熱阻是很大的,最終導(dǎo)致體系的導(dǎo)熱性較差。而當(dāng)熱流方向上形成導(dǎo)熱網(wǎng)鏈之后,填料形成的熱阻大大減小,基體熱阻和填料熱阻之間有了并聯(lián)關(guān)系,這樣導(dǎo)熱網(wǎng)鏈對于整個體系導(dǎo)熱性起了主導(dǎo)地位而大大提高了體系的導(dǎo)熱性。
 
5、高分子材料的發(fā)展前景
綜上所述,導(dǎo)熱高分子材料從基礎(chǔ)理論到產(chǎn)品開發(fā)等各方面都是高分子材料研究的重要內(nèi)容之一。特別是20世紀(jì)90年代以來,導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測的數(shù)學(xué)模型研究取得了一定進(jìn)展,納米復(fù)合技術(shù)的引入為導(dǎo)熱高分子材料研究提供了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。但是,導(dǎo)熱高分子材料的研究僅局限于簡單的共混復(fù)合,所得材料的導(dǎo)熱系數(shù)還不高,高導(dǎo)熱聚合物本體材料和復(fù)合材料在導(dǎo)熱機(jī)理、應(yīng)用開發(fā)等方面的研究遠(yuǎn)不如導(dǎo)電材料研究深入,導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)測理論局限于復(fù)合材料各組分導(dǎo)熱系數(shù)的經(jīng)驗?zāi)M,缺乏導(dǎo)熱機(jī)理的理論支持。所以,納米導(dǎo)熱填料的研究和開發(fā);聚合物樹脂基體的物理化學(xué)改性;聚合物基體與導(dǎo)熱填料復(fù)合新技術(shù)的研究和開發(fā);聚合物復(fù)合材料導(dǎo)熱模型的建立,導(dǎo)熱機(jī)理(特別是聚合物基體與導(dǎo)熱填料界面的結(jié)構(gòu)與性能對材料導(dǎo)熱性能的影響及導(dǎo)熱通路的形成等)的研究;探索高導(dǎo)熱本體聚合物材料的制備途徑等應(yīng)成為導(dǎo)熱高分子材料研究的方向。導(dǎo)熱高分子材料研究必將為高技術(shù)的發(fā)展奠定重要基礎(chǔ)。
 
6、 高分子材料的優(yōu)勢
1) 啟動迅速,導(dǎo)熱速度快。自元件一端加熱,數(shù)秒鐘就可將熱量傳遞到另一端。
2) 熱阻小,均溫性好。當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)為3.2×106/M·℃,是白銀的7 000余倍。沿傳熱元件軸向溫差趨于零,這樣可使元件的表面溫度基本保持一致。
3) 傳熱能力大。軸向熱流密度8.6MW/m2,徑向熱流密度45MW/m2。
4) 適用溫度范圍廣。工質(zhì)工作溫度范圍在60℃~1 000℃;元件工作溫度范圍可達(dá)材料使用溫度極限。
5) 與材料相容性好。與工程常用金屬材料如鋼、銅和鋁等材料相容性好,不易產(chǎn)生不凝性氣體,可有效延長元件使用壽命。
6) 操作壓力低。傳熱元件在270℃時內(nèi)腔工作壓力僅為0.9MP,不易產(chǎn)生爆管。
7) 工質(zhì)壽命長。傳熱工質(zhì)用高溫老化方式檢驗壽命11萬h。
8) 適用于高寒地區(qū)。環(huán)境溫度低于0℃時不會發(fā)生凍裂現(xiàn)象,冬季設(shè)備停工時,不需要考慮管子的保溫和防凍。
9) 使用行業(yè)面廣。已在多種類型的換熱器如空氣預(yù)熱器、省煤器、余熱器和太陽能熱水器等設(shè)備中使用。

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