隨著電子封裝技術(shù)的快速發(fā)展，電子元件不斷縮小，集成度越來越商，工作頻率卻急劇增加，電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量集聚導(dǎo)致器件溫度升高，從而使工作穩(wěn)定性降低。因此，電子電器用材料要求具有較高的導(dǎo)熱性能，以便達到降溫的目的。目前，絕緣散熱的器件多利用高導(dǎo)熱陶瓷如氮化鋁、氮化硼等制造，由于陶瓷產(chǎn)品加工難度高、易破裂，人們開始尋求容易加工、耐沖擊性能好的絕緣導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料。

    但幾乎所有高分子材料在具有輕質(zhì)高強、易加工、絕緣性好的同時，還具有導(dǎo)熱率低的特點。要使高分子材料具有較好的導(dǎo)熱性，就必須改變其結(jié)構(gòu)或成分。而要從根本上改變高分子材料的結(jié)構(gòu)，使其同時具有導(dǎo)熱和絕緣的特性，現(xiàn)階段的技術(shù)還比較困難。因此，高分子復(fù)合材料的導(dǎo)熱，通常都是將高導(dǎo)熱的無機填料填充到聚合物中來實現(xiàn)。

1  主要研究成果

1.1  絕緣導(dǎo)熱橡膠

    導(dǎo)熱橡膠代替普通高分子用于電器元件，既能為電器元件提供可靠的散熱途徑，又能起到絕緣、減震的作用。據(jù)資料表明，電器元件的溫度每升高2℃，可靠性下降10%。50℃時的壽命只有25℃時的1/6，可見導(dǎo)熱橡膠對于航空電子設(shè)備的小型化、密集化，以及提高其精度和壽命很關(guān)鍵。另據(jù)報道，SEBS的甲苯溶液與BN或Al203混合后，經(jīng)干燥可制得高導(dǎo)熱性高絕緣性能的彈性體材料，當SEBS、BN、甲苯的質(zhì)量比為2：7.5：7時，該材料的導(dǎo)熱系數(shù)高達6.4 W/(m．K)，可用于電子儀器基金項目：陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目(2011KTDZ01 -03 -06)。

    周文英等以硅橡膠為膠料，Al203為導(dǎo)熱填料，電子級玻璃布為增強材料，采用雙滾筒混煉機混煉橡膠、Al203以及過氧化物固化劑來制備膠料，然后用汽油溶解膠料，再將玻璃布浸膠、干燥處理后，采用平板硫化機硫化工藝成型復(fù)合材料樣品。所制得復(fù)合材料以120%的Al203，填充量為{zj0}，此時熱導(dǎo)率為0.92 W/(m．K)、電絕緣和力學(xué)性能優(yōu)良，能滿足絕緣導(dǎo)熱場合對熱界面導(dǎo)熱硅橡膠復(fù)合材料得需要。

    Hatsuo研究了BN/PB導(dǎo)熱性及力學(xué)性能。研究表明，BN的高導(dǎo)熱性和A階PB樹臘的低粘度，使BN易于被濕潤及混合，因而可實現(xiàn)較大量填充，BN的質(zhì)量分數(shù)為88%時，體系導(dǎo)熱系數(shù)為32.5 W/(m．K)。

1.2絕緣導(dǎo)熱熱固性樹脂

    熱固性樹脂由于熱變形溫度普遍比熱塑性樹脂高，而且其最常用的熱壓和澆注成型工藝適合于無機填料的大量填充。因此，熱固性樹脂成為人們研究絕緣導(dǎo)熱塑料的{sx}，并取得了許多重要的研究成果。

    據(jù)報道，將酚醛粉末與煅燒高嶺土經(jīng)混合、雙輥煉塑機捏合、傳遞模塑等工藝過程可制備出沖擊強度、彎曲強度、導(dǎo)熱性能兼顧的酚醛塑料，當二者質(zhì)量比為1：1.5時，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.88 W，(m．K)，沖擊強度為l1.2 kJm2，彎曲強度為109 MPa。另外將不飽和聚酯、固化劑、玻璃纖維、AIN粉末、Mg0,CaC03、硅烷偶聯(lián)劑等按照一定比例混合，制得的復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)為1.13 W/(m．K)，可用于制造電器設(shè)備和儀器的外殼。

   而獲得如此高得導(dǎo)熱率得原因有兩點：一是雙酚A甲胺化的聚苯并惡嗪的A階黏度非常低，而BN表面有伯胺、仲胺、羥基等官能團，這些都使得兩者有很好得界面結(jié)合，利于填料和基體得充分混合：二是體系采用了兩種尺寸BN，使BN容易進行大量填充。

    謝曙輝等把AIN與單體l，2，4，5-苯四酸酐(PMDA)、二胺基二苯醚(ODA)進行混合，采用原位聚合法來制備聚酰亞胺復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，聚酰亞胺的熱導(dǎo)率由不含AIN時的0.22 W/(m．K)增加到AIN體積填充分數(shù)為32.78%時的0.8 W，(m．K)．研究還發(fā)現(xiàn)偶聯(lián)劑對復(fù)合材料的熱導(dǎo)率有輕微的影響，過量的偶聯(lián)劑會造成聲子散射而影響熱導(dǎo)率。王嘉駿等，則把AIN與單體丙二醛(MDA)、均苯四甲酸二乙酯(BTDE)進行混合，用原位聚合法來制備聚酰亞胺復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，AIN的{zd0}體積填充分數(shù)可以達到80%，此時復(fù)合材料熱導(dǎo)率為4.38 W/(m．K)。

    金鴻等研究了環(huán)氧樹脂，氧化鋅晶須／氮化硼復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。以環(huán)氧樹脂為基體，分別以氧化鋅晶須、氧化鋅晶須，氮化硼為5：1的混合物為導(dǎo)熱填料，采用溶液共混法制備環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，當填科體積分數(shù)為15%時，EP/ZnOw/BN復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為1.06 W，(m．K)高于EP，ZnOw復(fù)合材料的熱導(dǎo)率0.98 W/(m．K)。

徐任信等研究了短切碳纖維對AIN，環(huán)氧樹脂復(fù)合材料絕緣導(dǎo)熱性能的影響。研究結(jié)果表明，在AIN體積百分含量為50%的AIN/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料中，當短切碳纖維體積含量由0變化到1.8%時，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率由1.14 W，(m．K)提高到1.45 W/(m．K)：彎曲強度和模量分別提高了14%和13%。

1.3絕緣導(dǎo)熱熱塑性樹脂

    熱塑性樹脂具有加工性好、成型周期短、效益高等突出的優(yōu)點，開發(fā)出加工性好、綜合性能優(yōu)異的熱塑性樹脂基絕緣導(dǎo)熱復(fù)合材料，一直都是科研人員追求的目標。目前，熱塑性樹脂基絕緣導(dǎo)熱復(fù)合材料的研究取得許多重要的研究成果，許多研究思路為人們深入研究奠定了基礎(chǔ)，比如基體填料協(xié)同作用、主輔二元填充等。

    覃碧勛等采用雙螺桿擠出機將聚苯硫醚( PPs)與Mg0、玻璃纖維( CF)按照一定的比例混合擠出造粒，制各了玻纖增強PPS/Mg0復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率在Mg0含量為60%-65%時出現(xiàn)躍遷，由Mg0含量60%時的0.812W/ (m．K)增加到Mg0含量65%時的1.463 W，(m．K>：而CF的加入，除增加復(fù)合材料的強度和韌性外，還可以促進復(fù)合材料熱導(dǎo)率的提高，在Mg0含量為60%的體系中加入10%的玻纖，熱導(dǎo)率由0. 812 W，(m．K)增加到1.302 W，(m．K)：但單純的玻纖替代Mg0，復(fù)合材料的導(dǎo)熱性會下降．比如PPS：Mg0：GF為30：60：10時復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為1.302 W/(m．K)，而PPS：Mg0：GF為30：50：20時復(fù)合材料的熱導(dǎo)率降低到0. 756 W/ (m．K)。

    王麗研究了PP導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料的性能。分別采用Al203、SiC/Bi0、Al2 03 /Bi0混合物以及SiC/Bi0混合物以30%一50%的質(zhì)量百分比填充PP，PP的熱導(dǎo)率由0.119 W，(m．K)提高到0.425 -0.595 W/(m．K)不等。其中，SiC含量為40%和SiC/Bi0混合物含量為40%時，PP復(fù)合材料的熱導(dǎo)率{zg}，分合材料的熱導(dǎo)率與AJN的填充量、PS糧子的大小、溫度等量有關(guān)。Ps粒子的尺寸為2 mm時復(fù)合材料的熱導(dǎo)率大予粒子尺寸為0.15 mm的熱導(dǎo)率。當Ps粒子的尺寸為2 mm，AIN的填充量為20%時復(fù)合材料的熱導(dǎo)率約為PS熱導(dǎo)率的5倍，達到0.7W/(m．K)。

    Ceon - Woong Lee等研究了PE導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。采用的填料有粒徑為4μm的AIN（A- 100）、粒徑為20-25μm的AIN（A- 500）、BN、AIN，針狀硅灰石混合物以及AIN/SiC晶須混合物。其中AIN為球形，熱導(dǎo)率為150一220W，(m．K)：BN為片狀，熱導(dǎo)率為29 W，(m．K)。研究結(jié)果表明，AIN體積含量為60%時，AIN (A - 100)填充復(fù)合材料的熱導(dǎo)率是2.01 W／(m．K)，AIN(A-500)是2.42 W，(m．K)：BN體積含量為50%時，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為3.66 W／(m．K)。這些數(shù)據(jù)說明了幾個問題：一是粒徑大的填料能夠形成厚的導(dǎo)熱通路，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率更高：二是BN的表面功能基團與聚合物有更好的相互作用，相對于AIN更容易形成導(dǎo)熱網(wǎng)鏈，使得BN填充聚乙烯的熱導(dǎo)率大于AIN，而且逾滲點低于AIN。研究還發(fā)現(xiàn)，使用復(fù)含填料AJN/SiC晶須或AIN，針狀硅灰石，比使用單一填料效果要好，原因可能是SiC和硅灰石作為輔助填料，有助于主填料形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。但當填料分數(shù)高于臨界填充分數(shù)時，主填料本身已經(jīng)形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，輔助填料得作用便降低了。

2  基本研究思路

    研究材料的導(dǎo)熱性能首要任務(wù)是弄清楚材料的導(dǎo)熱機理：固體材料內(nèi)部導(dǎo)熱載體包括電子、聲子、光子3種。金屬晶體因存在大量自由電子而使其熱導(dǎo)率很高。晶體導(dǎo)熱是通過排列整齊的晶粒振動來實現(xiàn)的，通常用聲子概念來描述。非金屬材料中，由于晶體的微粒遠程有序性比非晶體大得多，放其導(dǎo)熱性也較好，比如結(jié)晶型聚合物HDPE的導(dǎo)熱系數(shù)就遠比非晶聚合物高。而對于非晶聚合物而言，因其聲子自由程度很小，故熱導(dǎo)率極低。

    從材料導(dǎo)熱的機理來看，導(dǎo)熱高分子材料有兩種制備途徑：

{dy}種是制備具有良好導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)的高分子材料，如具有共軛結(jié)構(gòu)的聚乙炔、聚苯胺等。這些材料能夠利用電子傳遞機制導(dǎo)熱，導(dǎo)熱性能較好，但同時也具有導(dǎo)電性。也可以提高聚合物結(jié)構(gòu)規(guī)整度，利用聲子導(dǎo)熱機制導(dǎo)熱，如Choy.C．L等室溫條件將HDPE平行拉伸25倍時，平行于分子鏈方向的熱導(dǎo)率高達13.4W，(m．K)：第二種是向聚合物基體申填充導(dǎo)熱組分來制備導(dǎo)熱絕緣高分子復(fù)合材料，常用的填料有AIN、SiC、Be0、Al203、Ni0、Ca0、BN等。當無機物的填充量達到某個臨界值后，無機填料相互接觸，形成導(dǎo)熱通道，從而使高分子基復(fù)合材料具有很好的導(dǎo)熱性。填充法簡單，易于工業(yè)化生產(chǎn)，是目前導(dǎo)熱絕緣高分子材料研究的主要方向。

   要在聚合物基體中形成導(dǎo)熱通道，就要增大顆粒間的接觸，實現(xiàn)的方法有：一是增大填料的體積含量，或?qū)⒉煌降奶盍线M行匹配，以增加填料間的相互接觸。該方法需要的填料體積含量非常高，會降低復(fù)合材料的力學(xué)性能和加工性能：二是改變填料的形態(tài)，如用纖維狀填料代替顆粒狀填料，方便導(dǎo)熱通道的形成舊。這種方法的不足是復(fù)合材料中的填料分散不均勻，難以提高填料的體積含量，同時纖維狀填料的成本比較高：三是將少量導(dǎo)熱性能優(yōu)異的導(dǎo)電纖維引入顆粒型絕緣導(dǎo)熱復(fù)合材料中，既可以有效提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，又能保證材料力學(xué)性能。

耐化學(xué)性能和絕緣性能。在這個方面，徐任信等嘲進行了短切碳纖維對AIN/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料絕緣導(dǎo)熱性能影響的研究，并取得了突出的研究成果。

    絕緣導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備工藝主要有溶液共混、粉末直接共混-熔融共混、熔融粉體納米復(fù)合技術(shù)以及插層復(fù)合技術(shù)等9由于只有當無機填料的填充量非常高時，復(fù)合材料基體內(nèi)部才會形成導(dǎo)熱通道，因此，絕緣導(dǎo)熱復(fù)合材料的成型通常都是采用熱壓或澆鑄工藝，但也有報道稱所制備的熱塑性樹脂基絕緣導(dǎo)熱材料可采用注塑成型工藝。

3結(jié)語

    經(jīng)過多年的研究，絕緣導(dǎo)熱高分子材料的研究成果顯著。研究報道中，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率相對于高分子基體己經(jīng)有了很大的提高，但是填料的高填充量影響了復(fù)合材料的機械性能和加工性，不利于絕緣導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用。因此在提高高分子復(fù)合材料絕緣導(dǎo)熱性能的同時，材料的機械性能、加工性也是一個急需深入研究的問題。