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高分子材料导热性能提升的方法

2021-08-27 183 上传者：管理员

摘要：针对电子设备产生的热量进行接触,对于产品寿命以及工作性能都会产生较大影响。这就要求相关金属和氧化物的电绝缘性以及耐腐蚀性必须要满足要求,确保材料的导热性能和成型工艺性能可靠。而高分子材料本身具备易成型、易加工等优势,材料耐腐蚀,电绝缘性也比较理想。但是,目前使用的很多高分子材料导热性能并不是很理想,所以只有不断提升材料导热性能,才能让材料在更多的领域中实现有效应用。

关键词：
制备
复合绝缘材料
性能
硅橡胶
高导热
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1、高分子材料导热性能提升的方法

目前，提升高分子材料导热性能的方法常用的有两种，一种是通过合成具有一定导热结构的聚合物，提升材料导热性能。例如，采取共轭结构制备的聚苯胺、聚乙炔等复合绝缘材料，这些材料借助共轭结构，可以实现电子传热，实现材料导热性能的提升。通过提升聚合物结构的结晶性，借助声子导热机制达到导热性能提升的效果。例如，通过高倍平行拉伸的方法来处理高密度聚乙烯材料，通过拉升处理后，材料的导热性可以实现13W/（m⋅k）的提升。使用这种处理方法，必须要有严格的设备工艺标准，所以很难将这一技术用于工业化生产过程中。

还有一种提升高分子材料导热性的方法是通过高导热填料来实施对聚合物的填充处理，可以使用氮化硅对环氧树脂进行处理，使其变成高导热复合绝缘材料。使用这一处理方法，获得的复合绝缘材料整体导热性能能够显著提升，材料价格比较低廉，成型效果更好，所以在目前的工业材料制备中使用也最为广泛。

按照电绝缘性能来划分，高导热性能硅橡胶复合绝缘材料可以分为两种，一种是导热导电高分析材料，一种是导热绝缘高分子材料。具有绝缘性质的高分子材料在目前的电气和微电子器件中应用比较多，这类材料绝缘散热效果好，且对于提升设备精度和使用寿命也具有一定作用。所以，在新型高导热性能硅橡胶材料的开发中，这类材料也是研究的重要方向之一。本文以硅橡胶复合绝缘材料为例，分析这类复合绝缘材料的导热机理以及综合性能。

2、高分子复合绝缘材料制备工艺流程及机理

2.1高分子复合绝缘材料制备流程

考虑到纳米颗粒尺寸的问题，其中材料的盘子效应、体积效应、表面效应这些具有一定特性的粒子以及高分子聚合物基体的光学性能、介电性能以及力学性能比较特殊，基于纳米粒子自身的易吸附性，因此要使得纳米粒子在高分子基体中均匀分散，需要有较高的制备工艺。

将高分子材料作为基础，无机纳米材料作为填充物制备复合绝缘材料，相关的工艺复杂性比较强，要确保材料能够均匀混合，做好复合绝缘材料的结构控制，这对于高分子复合绝缘材料的制备效果和质量会产生较大影响。因为无机填料在聚合物中基体中是分散分布的状态，所以对于材料的力学性能、介电性能以及导热性能都会产生影响，在填料施加的过程中，要是存在团聚现象，就会导致复合绝缘材料导热性降低，整体力学性能也会因此下降。所以，进行高分子复合绝缘材料制备，需要有完善的制备工艺，采取有效的制备方法，确保材料制备的质量。目前的高分子复合绝缘材料比较多，本文选择一种柔性高导热绝缘高分子复合材料为例，这一材料包括乙烯醋酸乙烯酯交联物、EVA、过氧化物硫化剂、离子液体、导热填料。针对这一高分子复合绝缘材料的制备，其流程比较简单。首先是将EVM、EVA与硫化剂混合，让材料在30～200℃动态中进行硫化；再进行干燥处理，制得基料；在基料中加入离子液体和导热填料，160℃下熔融共混，出料，完成全部制备过程。

2.2导热机理分析

针对不同材料，其导热机理也是不尽相同的。晶体导热机理是借助排布整齐的晶粒的阵子热震动，促进导热性能提升。金属晶体中，存在较多自由电子，这些自由电子也可以实现金属导热作用强化，这其中，声子带来的导热效果不大，可以忽略。非晶体材料中，因为其分子或原子排列不整齐，所以具体的导热需要分子或者是原子围绕相应位置的热震动，实现能量向相邻分子的依次传递。综上所述，可以总结出，固体中的导热载体包含电子、声子以及光子。金属材料内部结构中有大量的自由电子，所以其导热性比较好；晶体材料中的晶格具备有序性，排列整齐，所以能够激发声子对导热性的提升作用。相对而言，金属导热性要比非金属好很多，而非金属晶体的导热性又比晶体导热性好。对于普通的高分子材料来说，其导热性并不理想，需要借助填充高导热性填料来实现自身导热性能的优化和提升。

3、高导热性硅橡胶复合绝缘材料制备方法

3.1进行填料表面处理

针对硅橡胶材料进行表面处理，是为了优化材料基体的兼容性，降低材料热阻性，同时还能够进一步提升材料填充量，确保整体导热性能优化。在大量的实验研究中，有学者发现，在硅橡胶材料中不断加入硅烷偶联剂，材料的热导性出现先上升后下降的现象，在添加的硅烷偶联剂用量是氧化镁的0.5%的数值情况下，热导性最高。还有学者通过使用KH-570对于硅橡胶高分子材料进行表面处理，实验发现，通过这种方法的表面处理，使得填料在基体中的分散性和湿润性明显提升，硅橡胶材料在经过处理后，热导率有一定的提升。此外，研究还发现，硅橡胶拉升强度和断裂伸长率也因此得到提升。

3.2进行新型高导热填料填充

目前在相关复合绝缘材料制备中，新型高导热填料应用最多的有纳米导热填料、球形填料以及高取向填料等，不过这些填料相对而言价格昂贵，所以并不实用。实验发现，将无机填料进行微化处理达到纳米级别后，粒子内部原子间距以及结构变化，会促使填料自身导热性的改变。研究还发现，在填料聚集成的传导块和聚合物平行的情况下，热导率达到最大值，所以，在制备中，通过添加高取向的填料，对于硅橡胶复合绝缘材料的热导率提升具有显著效果。

3.3进行多种填料混合处理

相对于材料自身的差异性，填料导热性高低也和材料自身的尺寸和形状有一定关联。将不同形状和尺寸的填料混合添加到硅橡胶材料中，对于提升材料的导热性具有很好的效果。实验验证，在硅橡胶复合绝缘材料中添加粒径不同的三种Al2O3混合材料，发现相关填料的比例在15∶30∶10的情况下，复合绝缘材料的导热性增加到最大值，这比单一的添加同一粒径的填料效果更佳明显。分析这其中的原因，主要是因为相对于单一粒子堆积效果，不同粒径粒子堆积的紧密性更高，相应的接触点也会更多，这样构成的导热通路也会更加理想。通过不同粒径填料混合使用，能够促进相应填料之间的接触几率增加，这样构成的网络结点也更多，这样橡胶基体中构成的导热通路也会更多，这对于体系热导率提升具有很好的应用效果。

3.4做好加工工艺改善

硅橡胶加工工艺对于热导性能会产生较大影响。在对填料种类和添加量、填料和其他助剂的配比进行优化处理中，高热导率和综合性能优化的硅橡胶材料就制备成功了。另外，硅橡胶成型中的压力助剂添加顺序以及温度等控制，也会影响材料的导热性能。在混炼橡胶的实验中，单一的添加甲基硅油作为助剂，保证成型加工性。实验结果限制，这种方法制备的硅橡胶导热率比较高，在100摄氏度情况下混合搅拌半小时后，基料的粘度是正常温度下的25%，但是其热导率提升到2.47W/（m⋅k）。

此外，混合材料的添加顺序对于材料制备效果也会产生影响。将有机硅树脂按照粒径大小依次添加到硅橡胶基料中进行混合处理，这样获得的材料的热导率将近7.2W/（m⋅k），而将小粒径和大粒径的填料混合添加到基料中，此时获得的材料的热导率为4.8W/（m⋅k），可见，有一定顺序控制的填料添加后制备的复合绝缘材料热导性更好，提升材料的热导率将近33%。

4、高导热硅橡胶复合绝缘材料综合性能分析

高导热硅橡胶复合绝缘材料通过硅橡胶基体和相关导热填料混合制备而来，材料本身的散热性比较好，还具有一定的减振和密封性。目前高导热硅橡胶复合绝缘材料在现代化电子工业、机械工程、电磁领域等应用最为广泛。在具体的高导热硅橡胶复合绝缘材料的制备中，通过使用相关导热填料，再辅以一些助剂，可以促进材料性能优化，提升复合绝缘材料的热导性，还能够提升材料的耐高温、耐腐蚀、耐气候变化、耐臭氧等性能。

5、总结

高导热硅橡胶复合绝缘材料的制备中，填料选择至关重要，需要选择导热性比较理想的填料，其次是进行填料大小和形状的合理搭配，把握填料的混合顺序，保证混合的均匀性，这样制备的复合材料导热性能够显著提升。在材料的制备中，需要把握关键的工艺处理环节，熟练材料制备流程，通过这种方法制备的硅橡胶复合材料，整体的材料性能也能够得到优化，应用面进一步拓宽，未来这类硅橡胶材料将应用到更多领域中。

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文章来源：石锦闪.高导热硅橡胶复合绝缘材料制备与综合性能的探讨[J].轻工科技,2021,37(09):29-30.