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傳統(tǒng)導(dǎo)熱材料多為金屬和金屬氧化物及其它非金屬材料(如石墨、炭黑、A1N、SiC 等)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,許多特殊場合如航空、航天和電子電氣領(lǐng)域?qū)?dǎo)熱材料提出了新的要求,希望材料具有優(yōu)良的綜合性能,既能夠?yàn)殡娮釉骷峁┌踩煽康纳嵬緩剑帜芷鸬浇^緣和減振作用,導(dǎo)熱灌封膠正好滿足了這一要求,導(dǎo)熱灌封膠是其中典型的代表。
普通硅橡膠的導(dǎo)熱性能較差,熱導(dǎo)率通常只有0.2W/m·K 左右;加入導(dǎo)熱填料可提高硅橡膠的導(dǎo)熱性能。常用的導(dǎo)熱填料有金屬粉末(如Al、Ag、Cu 等)、金屬氧化物(如Al2O3、MgO、BeO 等)、金屬氮化物(如SiN、AlN、BN 等)及非金屬材料(如SiC、石墨、炭黑等)。同金屬粉末相比,金屬氧化物、金屬氮化物的導(dǎo)熱性雖然較差,但能保證硅橡膠具有良好的電絕緣性能。
金屬氧化物中Al2O3是最常用的導(dǎo)熱填料;金屬氮化物中,SiN、AlN是最常用的導(dǎo)熱填料。這些導(dǎo)熱填料各有優(yōu)缺點(diǎn),金屬以及非金屬填料具有較好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性,而其化合物則具有較高的電絕緣性。填料的熱導(dǎo)率不僅與材料本身有關(guān),而且與導(dǎo)熱填料的粒徑分布、形態(tài)、界面接觸、分子內(nèi)部的結(jié)合程度等密切相關(guān)。一般而言,纖維狀或箔片狀的導(dǎo)熱填料的導(dǎo)熱效果更好。
(1)提高導(dǎo)熱灌封膠的導(dǎo)熱性
對填料進(jìn)行表面處理可以提高填料與基膠的相容性,增加填充量,實(shí)現(xiàn)灌封膠導(dǎo)熱性大幅度提高。如采用經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑KH-550、A-151、六甲基二硅氮烷、二甲基二甲氧基硅烷表面處理的剛玉粉填充RTV 導(dǎo)熱硅橡膠,材料的熱導(dǎo)率可從1.16w/(m.K)提高2.10w/(m·K),導(dǎo)熱性能提高近一倍。
(2)將填料超細(xì)化和纖維化
如果把無機(jī)填料的尺寸減小到納米級,其本身的導(dǎo)熱性會因粒子內(nèi)部原子間距和結(jié)構(gòu)的變化而發(fā)生質(zhì)的變化。如常規(guī)氮化鋁(AlN) 的熱導(dǎo)率約為36 W/(m·K),而納米級AlN 卻為320W/(m·K)。潘大海等人發(fā)現(xiàn),當(dāng)粒徑為5~20μm 的氮化硅(SiN)的用量為150~250 份(基體為100 份)時,RTV 硅橡膠的熱導(dǎo)率為0.9W/(m·K),且物理性能及加工性能良好。相同種類及用量的球形、片狀、纖維填料對硅橡膠導(dǎo)熱率的影響不同,其中晶須對提高硅橡膠的熱導(dǎo)率最有效;球形最差。J.Ma 等人發(fā)現(xiàn)將各種尺寸的碳纖維加到傳統(tǒng)的A12O3中熱導(dǎo)率提高大約6倍。根據(jù)Y.Agari 等人提出的模型,當(dāng)填料聚集成的傳導(dǎo)塊與聚合物傳導(dǎo)塊在熱流方向平行時,熱導(dǎo)率更高。因此,制造高取向的填料可大大提高硅橡膠的熱導(dǎo)率。美國AMOCO 公司生產(chǎn)的碳纖維K1100,其軸向熱導(dǎo)率高達(dá)1100W/(m·K),加上其負(fù)的熱膨脹系數(shù)、高模量、低密度,使其特別適合于制成高導(dǎo)熱及尺寸穩(wěn)定或熱膨脹系數(shù)匹配的復(fù)合材料。
(3)將不同粒徑分布的填料并用
填料的熱導(dǎo)率與其顆粒的尺寸比密切相關(guān)。當(dāng)一種粒徑均一的粒子以某種形式堆積,再在其中的空隙中加入另一種粒徑的顆粒時,可使填料顆粒之間緊密堆砌,形成導(dǎo)熱通路。通過特殊的工藝使導(dǎo)熱填料間形成隔離分布態(tài)時,即使用量很小也會賦予復(fù)合材料較高的導(dǎo)熱性。謝擇民等人采用不同粒徑的αA12O3和SiC 填充硅橡膠,當(dāng)填料的總用量為55 份時,硅橡膠具有較低的粘度,且硅橡膠硫化后膠料的熱導(dǎo)率可達(dá)1.48W/(m·K)。
(4)改善加工工藝
決定導(dǎo)熱絕緣灌封膠導(dǎo)熱性的另一個主要因素是導(dǎo)熱灌封膠廠家其加工工藝。復(fù)合材料成型過程中的溫度、壓力、填料及各種助劑的加料順序也會對材料的導(dǎo)熱性能產(chǎn)生明顯的影響,如熱硫化硅橡膠的熱導(dǎo)率大多數(shù)高于RTV 硅橡膠。這一方面是由于RTV 硅橡要求具有較好的工藝操作性能,所以膠料的粘度不能太大,因此不能加入太多膠的導(dǎo)熱填料;另一方面是因?yàn)镽TV 硅橡膠的致密性比熱硫化硅橡膠差,也影響了其導(dǎo)熱性能。因此,通過對填料的種類、加入量及填料與其它助劑比例的優(yōu)化可獲得導(dǎo)熱性高且綜合性能優(yōu)越的硅橡膠。
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