【聚合物基导热功能复合材料的导热机理研究的文献综述3200字】

聚合物基导热功能复合材料的导热机理研究的文献综述1.1前言随着科学技术和工业生产的快速发展，工业生产和日常生活的各个领域出现了许多需要快速散热的场合。例如微电子领域，微电子集成与组装技术飞速发展，以及电子元器件和逻辑电路不断朝着微型化方向发展，其体积在原来的基础上缩小了成千上万倍，但其工作频率却急剧增加。正是由此，在其有限的工作空间中，电子设备在运转过程中所产生的热量迅速积累成倍的增加，从而导致工作环境的温度迅速上升，造成电子元器件的使用寿命和稳定性严重缩短。因此，目前为了保证电子元器件能够长时间和稳定的正常工作，且阻止电子元器件的工作环境的温度不断升高，电子元器件快速散热能力就成为了大家迫切突破的难题。1.2导热材料近年来，解决快速散热的措施普遍采用具有高热传导效率的导热材料（常用的导热材料见表1-1）以作为热界面材料和封装材料。其中，热界面材料和封装材料的导热材料种类繁多，若以材料的来源进行区分，则主要有金属基导热材料、陶瓷基导热材料和聚合物基导热材料三大类。金属基导热材料的应用时间最早，传统的金属导热材料诸如铜（Cu）、铝（Al）和银（Ag）等，它们不仅具备了气密性好，而且不受外界因素影响，但是其价格昂贵、密度大且外形灵活性小，难以满足当前电子元器件快速发展的需要。这使得金属基导热材料的市场份额不断下降，只有在特殊性能要求的军事或航空航天技术中有少量应用。陶瓷基导热材料是金属基导热材料继任者。它拥有诸多的优良性能；例如良好的气密性、绝缘性、高强度、热稳定性、可靠性好和价格相对低廉（低于金属基材料）的优点，但其在烧结装配时尺寸精度差和成本相对高昂（相对于聚合物基）。这使得陶瓷基导热材料无法满足大规模生产和使用的需求。相较于前两者，聚合物基导热材料由于拥有低密度、成本低、耐腐蚀和易成型加工的优点在热界面材料和封装材料中占据其主要地位。聚合物基导热材料最大的缺点就是散热性能较差。聚合物本身是热的不良导体。其导热率都很低，一般都在0.1-0.5W/m·K之间（常见聚合物的导热系数见表1-2）。为了突破快速散去电子元器件在瞬间所产生的热量技术难题，提高聚合物的导热率迫在眉睫。综合以上三大类导热材料的现状，金属基导热材料和陶瓷基导热材料在作为热界面材料和封装材料使用过程中因其独特的特点受到很大的局限性，但聚合物基导热材料却没有这些局限。只要能提高聚合物材料的导热率，其就可以满足各种元器件的散热要求。其用途可以拓宽其在导热领域的各种场所应用，同时还能促进例如微电子行业等领域的发展，具有着非常重要的科学意义和巨大的经济价值。因此，现在市场对具备高热传导效率和优良的综合性能的聚合物基导热功能复合材料的需求十分迫切。同时，高分子材料具有着独特的结构和易改性、易加工的特点，这使得我们可以通过对其结构的改性和控制来获得所需的特殊性能。这便是高分子材料相对于其他材料体系具有不可比拟和取代原因。目前高分子材料广泛的应用于科学技术、国防建设和国家经济的各个领域，并且已经成为了现代社会生活中衣食住行用等各个方面不可缺少的材料。但是，高分子材料自身的导热系数一般都很低，仅有0.1~0.5W/m·K，无法满足各领域的需求。为满足微电子、航天航空、电机电器和军事装备等诸多制造业及高科技领域的发展需求，制备具有优良综合性能的聚合物基导热功能复合材料正成为各种领域的研究热点，受到越来越多国内外研究同行的重点关注。表1.1室温下常见聚合物材料的导热系数材料导热系数材料导热系数LDPE0.33HDPE0.45-0.52PP0.14PVC0.12-0.17PS0.04-0.14PVA0.2PET0.29PMMA0.17-0.25PVDF0.19-0.23PTFE0.25PC0.19POM0.40PEEK0.25PPS0.31PBT0.25PSU0.22PA-60.36PPSU0.35PA-660.25PA-10100.36Epoxy0.17-0.21PI0.1-0.2ABS0.25PU0.25EVA0.34PDMS0.25Naturalrubber0.13Pitch0.70Siliconeelastomer0.17-0.26Acrylic0.20Siliconeoil0.1Vinylester0.251.3聚合物基导热功能复合材料的导热机理根据热动力学说，热是一种涉及到分子、原子和电子等，以及它们的组成部分的移动、转动和振动的能量。因此，热量传递本质上就是能量传递。所以，物质的导热机理必然与其组成该物质的微观粒子的运动密切相关，这使得不同物质及物质在处于不同状态时有着不同的导热机理。但所有物质的热量传递都是由物质内部微观粒子相互碰撞和传递的结果，只是对于不同的物质，它们的能量传递的媒介是不同的罢了。在固体物质的内部存在三种可以传热的载体，它们分别是电子、声子和光子三种。主要依靠电子迁移来传导热量的固体物质是聚噻吩、聚乙炔、聚对苯聚苯胺等几种为数不多的导电聚合物和大多数金属。这是因为其内部中存在着自由电子，但因为电子本身携带电荷，所以它们通常也是电的良导体，这使得这些物质并不具备电绝缘性能；依靠光子作为传热载体的材料则要求其必须具备较好的透射性。这些材料一般只能是特殊的玻璃或单晶体且只可在特定的温度下光子才能对热传导起到明显的提升作用，故不具有普遍意义；普通的固体材料则一般依靠声子作为传热载体，例如金属氧化物（如SiO2、CaO和BeO等）、部分无机非金属（如BN、Si3N4和AlN等）和聚合物基体（如PP、PS和PET等）等材料，它们晶体结构的有序性使得声子平均自由程度要远大于结构主要为无定形结构的高分子材料，故金属氧化物及部分无机非金属材料的导热率远比高分子材料要高。[1]聚合物基复合材料中的绝大所数是属于饱和体系，在聚合物基体中并不存在大量完整晶体，而电子也被束缚着，故聚合物基体的热传导载体主要为声子。但因为聚合物基体的结晶不高且缺少完整晶体，同时还有着晶格和分子的非谐性振动等现象，这些现象都将引起声子的散射导致热传导效率降低。因此，聚合物基体本身的热传导系数难以提升，基本在0.1~0.5W/m·℃之间[1]。若是想要制备具有高热传导效率的本征型聚合物基导热功能复合材料，从结构上而言需要使得其分子具有完善的结晶取向结构或者拥有共轭结构。但是本征型聚合物基导热功能复合材料的生产制备工艺复杂，这使得其难以实现大规模生产。因此，大量的研究者们选择了通过在聚合物基体材料中填充具有高热传导率的金属氧化物或无机非金属粉体的方法来制备高导热聚合物基复合材料，即填充型聚合物基导热功能复合材料。对于填充型聚合物基导热功能复合材料而言，其导热系数主要取决于聚合物基体和导热填料之间协同作用。导热填料具有诸多形状，如粒状、片状和纤维状等各种形状。它们会在外力作用下分散在聚合物基体中，但并不会均匀的分布。当聚合物基体中导热填料的填充量比较低时，导热填料会像孤岛一样散落在聚合物基体中的各处，彼此之间没有接触。在这种情况下，聚合物基复合材料的连续相还是聚合物基体。但若是将导热填料的填充量继续增加，当达到一定数值时，导热填料便会在聚合物基体中形成局部的导热链或者导热网；若是将导热填料的在基体中的填充量进一步增加，局部的导热链或导热网便会彼此接触，形成了贯穿于整个聚合物基体的导热网络。此时，聚合物基体和导热填料都成为了聚合物基复合材料的连续相，它们会在彼此之间形成相互贯穿的网状结构，这便会将聚合物基复合材料的导热性能显著提高。如图1.1透射电镜图所示，当导热填料的添加量达到一个特定值时，聚合物基体中的颗粒之间会相互接触，形成一个通路，使得高聚物由热的不良导体转变为热的良导体。这种转变就是“逾渗”[2]。图1.1导热填料形成导热通路TEM图参考文献[1]虞锦洪，高导热聚合物基复合材料的制备与性能研究[D].上海交通大学,2012.[2]虞锦洪，高导热高绝缘本征导热的聚合物基复合材料的制备及导热机制的研究.浙江省，中国科学院宁波材料技术与工程研究所，2016-04-15.[3]周文英，张亚婷.本征型导热高分子材料[J].合成树脂及塑料，2010，27(2):69-73.[4]蔡忠龙，黄元华，杨光武.超拉伸聚乙烯的弹性模量和导热性能[J].高分子学报，1997，6(3):331-342.[5]Cao,B.Y,Li,YW,Kong,J.?etc.Highthermalconductivityofpolyethylenenanowirearraysfabricatedbyanimprovednanoporoustemplatewettingtechnique[J].Polymer,2011,52(8):1711-1715.[6]Shen,S.,Henry,A.,Tong,J.,etc.Polyethylenenanofibreswithveryhighthermalconductivities[J].NatureNanotechnology,2010,5(4):251-255.[7]Kurabayashi,K.Anisotropicthermalpropertiesofsolidpolymers[J].Internationaljournalofthermophysics,2001,22(1):277-288.[8]Grishchenko,A.,Turkov,V,Nesterov,A.Anisotropyofthermalconductivityanditsrelationtothestructureoforientedpolyurethanes[J].PolymerScience,1993,35(10):1399-1402.[9]DkA,ShtA,MtoB.Thermalconductivityofparticlefilledpolyethylenecompositematerials-ScienceDirect[J].CompositesScienceandTechnology,2003,63(1):113-117.[10]MamunyaYP,DavydenkoVV,PissisP,etal.Electricalandthermalconductivityofpolymersfilledwithmetalpowders[J].EuropeanPolymerJournal,2002,38(9):1887-1897.[11]王亮亮，陶国良.聚丙烯/铝粉复合材料导热性能的研究[J].塑料工业，2003(12):47-48+54.[12]丁峰，谢维章.导热树脂基复合材料[J].复合材料学报，1993，10(3):19-24.[13]YuJ,LeeW,LeeT.ComparativeStudyofThermallyConductiveFillersinUnderfills.2004.[14]ProcterP,SolcJ.

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