中国粉体网讯 导热电绝缘复合材料总体上可以分为填充型和本征型两类。其中，填充型导热复合材料是指在普通的绝缘聚合物材料中添加改性后的导热填料，通过导热填料的高热导率和彼此之间形成的导热通路，以此达到提升材料的导热性能的目的。
石墨烯、碳纳米管、陶瓷材料和金属填料等均是常用的导热填料，其中陶瓷填料的适用性更广，即使在恶劣环境下也有广泛的应用。陶瓷填料主要包括BN、AlN、SiC等，借助于陶瓷材料优异的抗酸碱与抗腐蚀性能，其在酸碱环境下需求换热的领域可以发挥重要的作用。
影响复合材料导热性能的因素
填料含量和粒径的影响
填料的粒径和使用量对改性基体材料的热导率有显著影响。同一种导热填料，填料粒径和尺寸越小，在聚合物材料中的分散越有利，从而有利于提高热导率。此外，导热填料之间的相互接触和相互作用也更加明显。在高填充量下，粒径大小对热导率影响将减弱，这是因为填料在基体树脂内部已经形成导热网链，粒径大小对其分散作用已经不再明显。
填料形状的影响
研究人员以球状氮化硼（s-BN）和片状氮化硼（f-BN）为填料，制备了填充BN的环氧复合材料，研究了不同形态的BN对复合材料导热性能的影响。研究表明：通过断口形貌观察到均匀分散的BN粒子在环氧基体内部形成了导热通路。当加入氮化硼薄片时，复合材料的热导率有了更大的提升，这是因为片状的BN填料与基体的接触面积更大，容易形成三维的导热网络。填充量为30%的f-BN/环氧树脂复合材料的热导率为0.93W/mK。
研究人员通过实验研究了具有近乎矩形和球形的纳米颗粒形状的ZnO纳米流体的热导率。结果表明：与基础流体相比，球形纳米颗粒和近似矩形纳米颗粒的ZnO纳米流体的热导率在5.0vol%时分别提高了12%和18%，这说明ZnO颗粒的形状对热导率的提高具有显著的影响。矩形的纳米ZnO颗粒相互接触的几率更大，更容易形成三维的导热通路和网络，同时相邻矩形的ZnO颗粒之间热阻更小，热量的传输更加通畅。
填料表面处理的影响
通常来说，填料填充到聚合物基体中后，填料和基体界面间相容性很差，导致填料很难均匀分散在基体中。未经处理的填料容易聚集成团，同时两者表面张力的差异使得其界面存在空隙，不利于界面热阻的降低。通过一定的加工和表面改性可以改善二者的界面结合情况，有利于界面热阻的降低，一般可以通过对导热填料进行适当的表面处理或包覆，加强其界面结合力，减小界面的影响。目前主要方法有物理包覆处理和表面化学改性。
改性前填料与基体之间是机械结合，两者界面之间可能会有空隙甚至是缺陷，这会影响复合材料的整体性能。表面改性后，填料与基体之间为共价键结合，这种结合方式使得两者界面结合更加紧密，复合材料的导热性能也更加优异。
成型工艺的影响
复合材料的成型工艺会影响填料在基体中的分布和导热网络链的形成。在加工过程中，可以控制填料沿预定方向排列，以在单个方向上获得高导热率。目前，常用的加工方法主要包括粉末混合法、溶液混合法、熔融混合法和双辊混合法。
例如为了制备单一方向导热性能良好的材料，可采用外加电场的方法使导热填料沿热流方向定向分布。研究人员将氮化硼填充到有机硅中，并研究了外加电场对氮化硼在有机硅复合材料中填料热流方向定向分布的影响。结果表明：交流电场和直流电场均有利于氮化硼形成取向导热网络结构，其中交流电场对氮化硼的作用要高于直流电场。当氮化硼填充含量为20wt%时，经电场作用的复合材料的热导率比未经电场作用的高250%。
资料来源：李啊强：基于AlN改性的导热/电绝缘PEEK复合材料的制备与性能研究，南京航空航天大学
（中国粉体网编辑整理/平安）
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