導(dǎo)熱粉體的種類及其應(yīng)用

常用的導(dǎo)熱粉體有金屬、陶瓷和碳材料。金屬材料雖然具有較高的內(nèi)在價(jià)值和優(yōu)良的使用性能，但其缺點(diǎn)是在高溫下易氧化和熱膨脹系數(shù)(CTE)高。此外，當(dāng)向聚合物中加入大量金屬時(shí)，密度會(huì)增加，從而限制了要求輕量化的應(yīng)用。近年來(lái)，金屬填料在熱界面材料中的應(yīng)用逐漸減少。因此，本文不再介紹金屬的性質(zhì)和應(yīng)用。

1.陶瓷粉體

陶瓷填料導(dǎo)熱系數(shù)良好，然而，它們的導(dǎo)電性足夠低，可以用于需要電絕緣的應(yīng)用，主要包括碳化物，氧化物和氮化物。常用作導(dǎo)熱粉體的碳化物主要有碳化硅(SiC)和MXenes。

碳化硅具有硬度高、導(dǎo)熱系數(shù)高(≈120W/m·K)、耐高溫、耐化學(xué)腐蝕、CTE低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)。然而，由于其絕緣性能差，在絕緣方面的應(yīng)用受到一定的限制。Yao等人利用冷凍鑄造方法實(shí)現(xiàn)了垂直排列和互連的SiC納米線網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)為傳熱提供了通道，并在低填充率為2.17 vol%的情況下實(shí)現(xiàn)了1.67W/m·K的高通平面導(dǎo)熱系數(shù)。Guo等人制備了3D(CF)-MXenes通過(guò)冷凍干燥法制備泡沫，然后注入環(huán)氧樹(shù)脂，在填料含量為30.2% wt%時(shí)獲得導(dǎo)熱系數(shù)為9.68W/m·K的CF-M/環(huán)氧復(fù)合材料，同時(shí)獲得較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和較低的熱膨脹系數(shù)。

氧化鋁Al₂O₃有八種不同的晶體結(jié)構(gòu)，其中- Al₂O₃因其穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)緊湊、活性低、電絕緣性能優(yōu)異、高的值(30-36W/m·K)和優(yōu)異的介電性能而備受關(guān)注。氮化硼因?yàn)楦邔?dǎo)熱系數(shù)，高絕緣性，低比重在復(fù)合材料中深受用于青睞。

Wang等人用納米球形氧化鋁粉和水制備了花狀A(yù)l₂O₃ (f- Al₂O₃)，然后在氮化硼納米片表面涂覆Al₂O₃ (BNNSs@f- Al₂O₃)。采用熱壓法制備材料時(shí)，納米顆粒沿面內(nèi)方向排列在聚合物中。Al₂O₃連接相鄰的BNNs，沿著聚合物的面內(nèi)方向構(gòu)建了導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。該策略實(shí)現(xiàn)了COC/BNNSs@f Al₂O₃復(fù)合材料，同時(shí)具有高導(dǎo)熱性和高分解率，低CTE，低介電常數(shù)。金戈新材以氧化鋁為主要填料，氮化鋁、氮化硼等導(dǎo)熱粉體為輔助材料，開(kāi)發(fā)了一系列有機(jī)硅、環(huán)氧、聚氨酯材料用導(dǎo)熱粉體，可用于制備1-12W/m·K導(dǎo)熱界面材料、導(dǎo)熱膠粘劑等。

Gu等先通過(guò)原位聚合法制備微米BN/聚酰胺酸(mBN/PAA)化合物，再通過(guò)靜電紡絲得到mBN/PAA靜電紡纖維。制備的mBN/聚酰亞胺(mBN/PI)復(fù)合材料在低填充量的同時(shí)也具有高的值、優(yōu)異的介電性能和熱穩(wěn)定性。Xie等人將BNNSs在己醇中超聲制備烷基修飾的BNNSs，通過(guò)熔融混合使其融入聚丙烯中，在極低的填充劑用量(僅5.5 vol%)下，其值提高到2.74W/m·K。崔等通過(guò)化學(xué)氣相輸運(yùn)制備自組裝的BAs晶體，然后通過(guò)冰模板法將填料組織成三維骨架，最后在骨架中注入聚合物基質(zhì)。當(dāng)BN含量為40 vol%時(shí)，復(fù)合材料的值達(dá)到21W/m·K。

2.碳材料

碳基填料在熱管理方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。碳基材料的不斷發(fā)展對(duì)聚合物基導(dǎo)熱材料的應(yīng)用和高質(zhì)量發(fā)展起到了至關(guān)重要的推動(dòng)作用。由于碳具有多種結(jié)構(gòu)形式，因此在電子、信息、能源、計(jì)算、激光等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。它在導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、耐溫性、耐腐蝕性、電磁屏蔽、低密度、機(jī)械性能和界面性能方面具有優(yōu)異的特性。與金屬和陶瓷材料相比，碳基材料更適合作為導(dǎo)熱粉體用于聚合物基復(fù)合材料。首先，碳基材料具有更高的導(dǎo)熱性，這意味著在相同填料載荷下，碳基填料能更大程度地提高復(fù)合材料的價(jià)值。其次，碳基材料的表面改性更容易實(shí)現(xiàn)，這有利于通過(guò)促進(jìn)與聚合物更好的相互作用來(lái)降低界面熱阻。此外，碳基填料的低熱膨脹系數(shù)和電磁屏蔽性能可以全面優(yōu)化復(fù)合材料的整體性能。最重要的方面是碳基材料的重量非常輕，符合現(xiàn)代電子產(chǎn)品向輕量化發(fā)展的趨勢(shì)。盡管碳基材料具有超高的價(jià)值和突出的機(jī)械靈活性，但其高導(dǎo)電性限制了其在許多有電氣絕緣要求的電子領(lǐng)域的應(yīng)用。該問(wèn)題可通過(guò)填料的表面改性和空間結(jié)構(gòu)的分布控制來(lái)解決。

金剛石是自然界中通常發(fā)現(xiàn)的最高的材料(≈2000W/m·K)，可以用來(lái)提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性。近年來(lái)，納米金剛石(ND)作為聚合物基體的填料受到了極大的關(guān)注，它在一定程度上繼承了塊狀金剛石的優(yōu)越性能，具有優(yōu)異的電學(xué)性能、光學(xué)性能、力學(xué)性能和高導(dǎo)熱性。Song等制備了纖維素/納米金剛石(CND)復(fù)合材料，ND含量為5 wt%時(shí)，復(fù)合材料的能量值提高到5.37W/m·K。

炭黑(CB)是一種無(wú)定形的碳添加劑，其電學(xué)和熱學(xué)性能與其結(jié)構(gòu)、表面性能和粒度密切相關(guān)。嵌入聚合物后，基體的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性可以得到改善。Zhao等人獲得了CB/石墨烯泡沫(GF)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)復(fù)合材料，并發(fā)現(xiàn)添加8 wt%的CB可提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性和存儲(chǔ)模量，與未添加的GF/PDMS復(fù)合材料相比，復(fù)合材料的導(dǎo)熱性和存儲(chǔ)模量分別提高了72%和10%。

Feng等人通過(guò)壓縮成型包覆石墨薄片的PP樹(shù)脂顆粒制備了高效建立隔離網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的石墨/PP復(fù)合材料，當(dāng)石墨薄片含量為21.2 vol%時(shí)，復(fù)合材料的K值達(dá)到5.4W/m·K。

石墨烯是一種由六元碳環(huán)組成的二維納米材料。它可以被翹曲成0D富勒烯，卷成1DCNTs，堆疊成3D石墨，這是其他石墨材料的基本單位。它還具有優(yōu)異的機(jī)械、電氣和熱性能。石墨烯中的每個(gè)碳原子都是sp2雜化的，并且石墨烯的自由運(yùn)動(dòng)使得石墨烯具有超高的面內(nèi)熱(≈5300W/m·K)和導(dǎo)電性，從而可以在相對(duì)低的石墨烯負(fù)載下實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的聚合物復(fù)合材料。Qin等人報(bào)道了石墨烯被包裹在商用三聚氰胺甲醛泡沫中形成骨架。然后將PDMS注入到該骨架中，制備了RGO@MF/PDMS復(fù)合材料，其導(dǎo)熱系數(shù)提高到1.68W/m·K。

膨脹石墨(EG)是一種剝離形式的石墨，厚度為20-100nm。膨脹石墨填充復(fù)合材料的值取決于EG的剝離程度、在基體中的分散程度和長(zhǎng)寬比。Kim等人設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種誘導(dǎo)和控制EG膨脹程度的處理方法，即電感耦合等離子體(ICP)，進(jìn)一步研究了EG體積膨脹與復(fù)合材料的容積值之間的關(guān)系。結(jié)果表明，在相同填充量下，體積膨脹率較高的EG具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)增強(qiáng)。復(fù)合材料的最大導(dǎo)熱系數(shù)為10.77W/m·K，具有三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。

碳納米管(Carbonnanotubes,CNTs)是具有高模量和強(qiáng)度的各向異性納米材料，具有優(yōu)異的彈性碳納米管可分為單壁碳納米管(SWCNTs)和多壁碳納米管(MWCNTs)。MWCNTs具有最高的導(dǎo)熱性，因?yàn)樗鼈兙哂凶钚〉谋缺砻娣e，并且通過(guò)其內(nèi)壁的傳熱不受其外壁缺陷的負(fù)面影響。

碳纖維也是一種重要的碳基填料。由于CF由平行于光纖軸的環(huán)形幾何結(jié)構(gòu)組成，軸向熱導(dǎo)率(估計(jì)高達(dá)2000W/m·K)遠(yuǎn)高于橫向熱導(dǎo)率(10-110W/m·K)。用少量CF代替無(wú)機(jī)導(dǎo)熱粉體可以同時(shí)提高聚合物的導(dǎo)熱性和力學(xué)性能。但其表面光滑，與聚合物基體的界面附著力很弱，因此需要對(duì)其進(jìn)行表面處理，以獲得CF與聚合物之間明顯的相互作用。新型導(dǎo)熱粉體的不斷涌現(xiàn)，為制備高導(dǎo)熱復(fù)合材料提供了更廣闊的思路。使用具有高導(dǎo)熱性的結(jié)晶或連續(xù)取向聚合物作為傳統(tǒng)導(dǎo)熱粉體的替代填料，可以在聚合物基體內(nèi)形成連續(xù)導(dǎo)熱路徑。這種策略避免了引入額外的界面熱阻，從而更大幅度地提高了材料的導(dǎo)熱性。

在聚合物基體中引入導(dǎo)熱粉體會(huì)在聚合物和填料之間產(chǎn)生許多界面，從而導(dǎo)致界面熱阻。同時(shí)，由于聚合物基體與填料極性不同，相應(yīng)的界面相容性較差，使得粉體難以在聚合物中均勻分散，形成聚集。再加上界面上的間隙和缺陷，這些因素都會(huì)影響復(fù)合材料的導(dǎo)熱性和其他力學(xué)性能。此外，通過(guò)使用單一類型的填料來(lái)明顯提高復(fù)合材料的價(jià)值是具有挑戰(zhàn)性的。金戈新材通過(guò)復(fù)合搭配、表面改性、干濕法一體化等技術(shù)，將不同類型、不同形態(tài)和不同尺寸的導(dǎo)熱粉體糅合，形成一種高性能的導(dǎo)熱粉體，可以提高粉體在有機(jī)硅、聚氨酯、環(huán)氧、丙烯酸、塑料等體系的填充率，形成致密的熱路徑，從而降低體系的粘度，引發(fā)填料之間的協(xié)同作用，獲得更好的導(dǎo)熱性。欲咨詢具體推薦方案，可點(diǎn)擊右下方客服咨詢、或致電業(yè)務(wù)經(jīng)理、0757-87572711/87572700。金戈新材可根據(jù)您的需求，提供定制化功能性粉體解決方案。