導熱材料材質特性

第一部分   導熱高分子

 

一、什么是導熱高分子

♦是側重導熱性能的一類高分子復合材料。

♦導熱高分子分為導熱塑料和導熱橡膠兩類；其中導熱橡膠又分為硅橡膠和其他橡膠。

二、導熱高分子類型

♦本征型

高分子材料本身有較高的導熱系數，如聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、高密度PE等

♦填充型

一般的聚合物本身導熱性較差，需要通過高導熱填料（如：金屬粉、石墨、其他陶瓷材料）增加導熱性，如導熱硅膠

三、導熱機理

各種材料的導熱機理是不一樣的。

♦電子導熱

通過電子的熱運動將熱量進行傳遞，如：聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、金屬、石墨等。

♦聲子導熱

通過聲子（即晶格）的熱運動將熱量進行傳遞，如高結晶聚合物、完整晶格結構的無機物（金剛石、氧化鋁、氮化硼、氧化鈹等）

四、材料導熱能力的表征-------導熱系數

熱傳導是通過電子或聲子的運動將熱能從高溫部分傳遞到低溫部分。 若物體中存在溫度梯度dT/dx，則單位時間通過垂直于溫度梯度方向的單位面積 的熱能dQ/dt，與溫度梯度成正比。即 : 

dQ/dt=- kAdT/dx         k 稱為導熱系數，單位為W/M·K 
 導熱高分子復合材料的導熱系數取決于高分子材料及填充材料的特性及其復合的特性。

五、過程導熱能力的表征---熱阻

熱阻表示材料阻止熱量流動的能力。 
 即：R=（T2-T1)/P=H/kA， 
      R-熱阻（K/W），T₂-高溫，T₁-低溫，P-熱功率，H-厚度，A-導熱面積 
傳熱過程中實際熱阻還包括界面接觸熱阻，所以總熱阻為：R_總=H/kA+Ri。

因此，過程導熱能力不僅與導熱材料的導熱系數 有關，同時還與和電子器件及散熱器件的實際接 觸面積、接觸壓力有關。

六、導熱高分子的絕緣性

由導熱機理可知，導熱高分子有絕緣的和導電的之分

導熱高分子分為：

導電導熱高分子：電子熱運動機理的導熱高分子

絕緣導熱高分子：聲子熱運動機理的導熱高分子

七、電子器件散熱用導熱材料的要求

1、電絕緣----不會使線路導通

2、耐電壓----在高電壓下不會擊穿

3、高導熱----提供高效導熱通道，將電子器件產生的熱量高效的傳遞給散熱器件

4、柔軟性----充分填滿電子器件與散熱器件之間的縫隙，使導熱通道完善

5、阻燃性----安全

6、耐老化----保證電子產品的使用壽命

八、導熱高分子材料的組成

1、導熱填充材料----導熱分體

2、高分子聚合物----導熱分體的粘料

3、改性助劑----賦予特殊功能如：阻燃、顏色

4、加工助劑----賦予成型加工性

 

第二部分   導熱硅橡膠

一、什么是導熱硅橡膠

導熱硅橡膠是以有機硅樹脂為粘接材料，填充導熱粉體達到導熱目的的高分子復合材料。

有機硅樹脂本身的導熱系數為0.165w/m.k，約為其他有機橡膠的兩倍，只是本體還不足以達到很好的導熱的目的，因此，要通過填充其他高導熱材料增加其導熱系數。

二、導熱硅橡膠的組成

1、有機硅樹脂

2、絕緣導熱填料：氧化鋁、氧化鎂、氮化硼、氮化鋁、氧化鈹、石英等

3、有機硅增塑劑

4、阻燃劑、氫氧化鎂、氫氧化鋁

5、無機著色素

6、交聯劑

7、催化劑

三、導熱硅橡膠各組分的性質

1、有機硅樹脂

            R             R                 R                  R
             |              |                  |                    | 
 R′— Si—O—[Si—O―]_m—[Si—O―] _n —Si—R′
             |              |                  |                     |
            R             R                 R ′                  R 

方式中m、n 代表鏈段數，R′是烷基或乙烯基（-CH=CH2），R是甲基。 
        有機硅樹脂是一種直鏈狀的高分子量的聚有機硅氧烷，分子量為1萬-80萬。

2、交聯反應

    CH₃                      CH₃        CH₃                        CH₃
      l                           l             l                          l 
 ~Si—CH=CH₂+H—Si ~ → ~Si—CH₂—CH₂—Si ~   
      l                           l             l                          l 
   CH₃                          CH₃         CH₃                     CH₃

 

通過交聯形成立體網狀結構，高分子樹脂不再具備流動性，但有一定的形狀。

3、結構的特點

a、硅的電負性

某些元素的電負性

    

Si-O鍵的電負性相差很大，有較強的離子型（極性），故有機硅樹脂易被強酸、強堿等化合物斷裂。反應式如下：

酸式斷裂：≡Si-O-Si≡+2HA → 2 ≡Si-O-A+H₂O

堿式斷裂：≡Si-O-Si≡+MOH → ≡Si-O-M+ ≡Si-O-OH 

因此，有機硅樹脂不耐強酸強堿

b、硅鍵及鍵能

硅鍵與碳鍵的鍵能（kJ/mol）

由上可知，有機硅主鏈上的Si-O鍵的鍵能大于C-C鍵的 鍵能，所以，以 Si-O-Si鍵構成的有機硅樹脂有很高的熱穩 定性，比一般以C-C鍵結構的有機樹脂更耐溫。

實際上，常見的砂、石、玻璃、陶瓷、石英等無機物 均含有Si-O-Si鍵，所以有機硅樹脂兼具有機聚合物與無機 材料的特性。

側鏈上的Si-C鍵是有機化合物的基礎與特征，由于Si與 C的電負性差值較小，故Si-C鍵基本上屬于共價鍵，在一定條件下可發生均裂及異裂反應。 

 Si-C鍵的鍵能較高，所以熱穩定性較好，如Ph4Si在425℃下蒸餾不致發生分解。但在強酸下共熱仍可發生斷 裂反應。

 C-H鍵的鍵能比Si-C鍵的還高，所以也高溫穩定。

因此，有機硅樹脂總的來說有極好的耐溫性，在無酸堿的條件下可以在270℃下使用，耐溫性僅次于含氟樹脂， 比通用的樹脂（如：丙烯酸酯樹脂、聚氨酯、乙丙橡膠、 丁腈橡膠等）的耐溫性高得多。

c、側基

有機硅樹脂的側基為甲基（-CH₃），由于C與H的電負性相差很小，所以-CH₃為非極性基，盡管Si-O-Si鍵有極 性，但被非極性的-CH₃屏蔽后，整體呈非極性，故分子間 作用力很小。同時，由于-CH₃可以圍繞Si-O鍵自由旋轉及 -CH₃的空間作用，導致其有極好的柔順性。

 因此， 有機硅樹脂有極低的玻璃化轉變溫度 （Tg=-125℃）、良好的絕緣性及低的介電常數。

有機硅樹脂在-70 ℃時還可使用

4、性質

♦ 耐高溫性：270℃可以使用

♦ 低溫彈性：-70℃還有彈性

♦ 優良的耐候性及耐輻射性

♦ 卓越的電絕緣性：體積電阻：1x10¹⁴~10¹⁶歐.厘米

♦ 優良的介電性：介電損耗正切小于10^-3、

                           介電常數2.7~3.3（50Hz/25℃）

                           介電強度18~3kV/mm

♦ 生理惰性（無毒）

♦ 地表面活性

5、老化特性

有機硅樹脂在空氣中的耐熱性比有機橡膠好得多，在 150 ℃下其物理機械性能基本不變，可半永久使用，在200 ℃下可連續使用10000小時以上，以下是其在不同溫度下的 使用壽命。 

有機硅樹脂在高溫下，有氧氣時，發生甲基氧化反應，引起交聯，使制品變硬，乃至發生開裂。在密閉體系中主 要發生解聚反應，使制品變軟，以致喪失機械強度。

老化機理如下：

a、氧化反應：

          CH₃              CH₂OOH
            ︱                        ︱
(1)、 ～Si-O～+O-O→ ～Si-O ～→ ～Si-O-+·OH+HCHO 
            ︱                        ︱                ︱
           CH₃                    CH₃             CH₃

                                      OH            OH        O       O 
                                       ︱            ︱           ︱      ︱

(2)、 ～Si-O- +·OH → ～Si-O-+ ～Si-O- →- Si-O- Si-+H2O
             ︱                        ︱            ︱           ︱       ︱ 
           CH₃                         CH₃         CH₃       CH₃    CH₃

b、解聚反應：

    CH₃
       |
 —[Si—O—] _n — → D₃（三聚體）+D₄ （四聚體） 
       |
    CH₃

                氧化 ——→硬化

                解聚 ——→軟化

2、導熱填料

 主要是氧化鋁、氧化鎂、氮化硼、氮化鋁、氧化鈹等陶瓷粉體。 

 下面說明一下各陶瓷粉體的性能:
 （1）、絕緣性 

（2）、導熱率

                                                                            導熱率與溫度的關系

               

（3）、熔點

                   

3、其他助劑

1. 1、有機硅增塑劑與交聯劑化學結構類同有機硅樹脂， 性質也類同。本公司的增2、塑劑為活性增塑劑，交聯后與有 機硅樹脂形成一體，減少析出和揮發； 
2. 3、阻燃劑氫氧化鋁和氫氧化鎂分別在245 ℃和340 ℃ 條件下分解，吸收熱量，4、釋放水分，起到阻燃效果； 
3. 5、無機著色劑用量極少，耐溫大于300 ℃；
4. 6、催化劑用量極微，還可以起到阻燃的作用。

四、導熱硅橡膠的綜合性能

從以上的配方組成及組分的性質可以看出，導熱硅橡膠的有優異的綜合性能：  

1、優異的耐高低溫性能：-70-270 ℃； 

2、優異的耐高溫老化性能：150 ℃下可以長期工作；

 3、優異的電絕緣性能；  

4、穩定的導熱性能：隨溫度變化不大；  

5、優異的柔順填逢性能。