導熱復合材料的應用

從材料發(fā)展的歷史來看，推動復合材料發(fā)展的關鍵是在于其本身具有卓越的強度、剛度和低密度，由于復合材料這些性能，使其在結(jié)構和承力系統(tǒng)上取得很大成功，從而被廣泛應用。但是，大多數(shù)結(jié)構聚合物基復合材料(PMCs)具有較低的導熱性，它們中的很多都被視作熱絕緣體。目前聚合物基復合材料(PMCs)、金屬基復合材料(MMCs)、陶瓷基復合材料(CMCs)和碳基復合材料(CAMCs)等都可以作為導熱材料，在許多場合的應用無需局限于某一類復合材料，而應綜合考慮導熱材料的應用場合下對材料的性能要求。

為了滿足微電子、電機電器、航天航空及軍事裝備等諸多制造業(yè)和高科技領域的發(fā)展需求，制備具有優(yōu)良綜合性能的高導熱聚合物絕緣材料，已經(jīng)成為一個研究熱點的研究方向。

1、工業(yè)及商業(yè)應用

注射成型工藝生產(chǎn)了不計其數(shù)的商業(yè)化部件，其中包含了大量的商品和工程樹脂，包括聚丙烯、ABS、聚碳酸酯、尼龍、聚苯硫醚、液晶聚合物、聚硫砜和聚醚醚酮。聚合物的材料大多數(shù)有個弱點，就是導熱性能差。

在塑料工業(yè)中導熱塑料最大和最重要的應用是替代金屬和金屬合金制造熱交換器。它可以代替金屬應用于需要良好導熱性和優(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)也是應用導熱塑料較多的一個領域，主要用來制造要求較高的導熱電路板。

第一，合成具有高導熱系數(shù)的結(jié)構聚合物，如具有良好導熱性能的聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯等，主要通過電子導熱機制實現(xiàn)導熱，或具有完整結(jié)晶性，通過聲子實現(xiàn)導熱的聚合物；第二，通過高導熱無機物對聚合物進行填充，制備聚合物/無機物導熱復合材料，用于填充例子種類可分為：金屬、金屬氧化物、金屬氮化物、無機非金屬、纖維填充物等。

在填料配方確認后，決定復合材料導熱性的另一主要因素就是復合材料的加工工藝。根據(jù)目前導熱理論研究成果認為，導熱高分子材料的最終導熱性能取決于填料在基體中的分布情況，使填料在基體中局部有序排列形成有效的導熱通道可以有效提高復合材料的導熱性能。

2、微電子和光電熱控制

散熱和熱應力在許多微電子和光電封裝應用中的關鍵問題。微電子包括微處理器、功率半導體、應用特殊集成電路(ASICs)和RF設備，光電應用包括激光二極管、發(fā)光二極管、液晶和等離子顯示屏、光電裝置和探測器。眾多數(shù)據(jù)表明熱控制在微處理器中至關重要。

用于電子和光電熱控封裝材料的關鍵要求：①高導熱性；②盡可能減小熱膨脹系數(shù)失配導致的局部應力對性能可靠性的影響。③使用中易遭受沖擊振動的應用是另一個重要的考慮。例如，商業(yè)電子設備一般需要滿足50g的沖擊負荷，因此還需考慮復合材料的機械性能。

例如陶瓷和半導體的熱膨脹系數(shù)范圍是2-7ppm/K。銅有較高的導熱能力，但它的CTE為17ppm/K，會引起熱應力相關的問題，如焊接接頭破壞和變形。采用材料復合的方式可獲取滿足封裝材料所需占比指標，以保證器件的可靠性。

3、航空航天/國防應用

航空航天的材料通常需要輕量化及高性能化，碳/碳復合材料是具有特殊性能的新型超高溫材料，既有纖維增強復合材料優(yōu)良的力學性能，又有碳材料優(yōu)異的高溫性能，特別是高溫下優(yōu)異的熱物理性能。碳/碳復合材料在2000℃的高溫下不會熔化，不會發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象，也沒有明顯的翹曲變形，導熱性能好，比熱容大，熱膨脹系數(shù)小。

碳/碳復合材料獨特的性能能夠滿足高負荷飛機剎車時的苛刻要求，所以被廣泛地用于飛機剎車材料。在飛機剎車制動的過程中產(chǎn)生大量的熱，碳/碳復合材料高導熱性能有助于加快熱量從接觸界面擴散的速度，降低摩擦面溫度，改善摩擦磨損性能，吸收和傳遞大量的熱能，從而延長了剎車材料的使用壽命。

同時碳/碳復合材料可作為超高溫熱防護材料，宇宙飛船或?qū)椫胤荡髿鈱訒r由于氣動加熱產(chǎn)生高溫，因此必須研究材料的導熱性能，以導熱系數(shù)為代表的熱物性參數(shù)是超高溫熱防護材料設計中不可缺少的數(shù)據(jù)。