綜述了近年來應(yīng)用于電氣電子行業(yè)的高導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂介電復(fù)合材料研究進(jìn)展,介紹了導(dǎo)熱機(jī)理和導(dǎo)熱模型,討論了填料種類、粒徑、形貌、顆粒復(fù)配及體系空隙、界面等影響因素對材料導(dǎo)熱性能和介電性能的影響,并展望了高導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂介電復(fù)合材料的發(fā)展方向。
通常來說,高壓電器應(yīng)用如開關(guān)柜、變壓器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、GIS等需要材料熱導(dǎo)率為lW/m.K;而用于高密度集成絕緣電子裝置,如封裝系統(tǒng)中的熱界面材料等需要熱導(dǎo)率為10W/m.K??蓮V泛應(yīng)用于上述電絕緣材料,但其熱導(dǎo)率大約在0. 2W/m.K。提高環(huán)氧樹脂熱導(dǎo)率有兩種方法,一種法為合成具有高度結(jié)晶性或取向度的本體環(huán)氧樹脂,如Takczawa等報道的含有介晶結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂;另一種為在環(huán)氧樹脂中引入高導(dǎo)熱絕緣填料,制備填充型復(fù)合材料獲得高導(dǎo)熱性能。本體環(huán)氧樹脂制備工藝繁瑣,成本高,目前制備高導(dǎo)熱環(huán)氧介電復(fù)合材料主要采用填充方式,引入高熱導(dǎo)填料如氮化硼(BN)、氧化鋁(Al?O?)、氮化鋁( AIN)等以增加熱導(dǎo)率,同時保證材料的介電性能,達(dá)到熱、電性能的平衡。
1 導(dǎo)熱機(jī)理
固體導(dǎo)熱材料的傳遞方式主要為熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)傳遞的載體有電子、聲子及光子。大多數(shù)聚合物是飽和體系,無自由電子存在,分子運動困難,熱傳導(dǎo)主要是晶格振動的結(jié)果,聲子是主要熱能載荷者。對環(huán)氧樹脂來說,其結(jié)晶度低,聲子散射大,從而熱導(dǎo)率低。對無機(jī)非金屬材料來說,自由電子少,晶格振動是主要導(dǎo)熱途徑,其晶體微粒具有遠(yuǎn)程有序性,聲子的散射小,導(dǎo)熱作用強,如氮化硼、碳化硅等都具有較高的熱導(dǎo)率。
高導(dǎo)熱填充型環(huán)氧復(fù)合材料主要通過聲子來傳遞熱量,導(dǎo)熱填料的引入,一方面熱量可以沿著填料品格快速傳播,增加熱導(dǎo)率,另一方面,填料的加入將引入界面熱阻。界面熱阻來自基體與填料界面處的聲子散射。當(dāng)填料含量較低時,基體的導(dǎo)熱性能和界面熱阻決定體系的熱導(dǎo)率;當(dāng)填料含量達(dá)到某一臨界值,即逾滲閾值,填料間相互接觸,體系內(nèi)形成類似鏈狀或者網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu),即導(dǎo)熱通路,體系的熱導(dǎo)率決定于導(dǎo)熱通路。
2 導(dǎo)熱理論模型
高導(dǎo)熱環(huán)氧介電復(fù)合材料多數(shù)為填充型二元體系或多元體系。目前預(yù)測二元體系熱導(dǎo)率的模型很多,典型導(dǎo)熱模型如表1所示。
以上各式,λ?,為聚合物熱導(dǎo)率,λ?,λ?。……為填料熱導(dǎo)率,λ為復(fù)合材料熱導(dǎo)率,V為填料粒子的填充體積,X?,X?。……中各種粒子占混合粒子的統(tǒng)計份數(shù)。
3 導(dǎo)熱性能影響因素
3.1 導(dǎo)熱填料
高導(dǎo)熱填充型復(fù)合材料的熱導(dǎo)率不僅取決于基體和導(dǎo)熱填料的熱導(dǎo)率,導(dǎo)熱填料的填充量、粒徑、形狀、分布狀態(tài)、取向及顆粒復(fù)配都會對復(fù)合材料的熱導(dǎo)率有重要影響。
3.2空隙
制備高導(dǎo)熱填充型復(fù)合材料填料的高填充率是必要的。當(dāng)填料加入樹脂體系時,此時復(fù)合材料體系粘度增加大,樹脂分子鏈不能有效插入填料之間,復(fù)合材料體系形成空隙。特別在填料含量高的時候,由于填料的不靈活性,體系空隙將增大??障兜拇嬖谟謱⑾拗企w系的填充率,影響熱傳導(dǎo)。采用不同種類、粒徑和形貌填料復(fù)配是減小空隙的重要方法,有利于增加導(dǎo)熱鏈數(shù)量和提高導(dǎo)熱鏈濃度,從而提高體系的熱導(dǎo)率和介電性能。
3.3 界面
影響高導(dǎo)熱填充型復(fù)合材料熱導(dǎo)率主要有兩個參數(shù):1個是導(dǎo)熱鏈的濃度,另1個是熱阻。其中,熱阻包括不同相的熱阻和相之間聲子散射引起的界面熱阻。填料和基體間模量的不同,增加了基體填料間的聲子散射引起大的界面熱阻。對填料表面處理可以增加基體和填料的粘結(jié)性,通過連接粒子基體界面、粒子粒子界面,減小界面聲子散射和界面熱阻,以增加體系熱導(dǎo)率和介電性能。
資料下載: 高導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂介電復(fù)合材料研究進(jìn)展-王好盛.pdf
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