导热硅橡胶的研究进展.doc

导热硅橡胶的研究进展来源:中国化工信息网2008年8月4日

传统导热材料多为金属和金属氧化物及其它非金属材料(如石墨、炭黑、AIN、SiC等)。随着科学技术的进步和工业生产的发展，许多特殊场合如航空、航天和电子电气领域对导热材料提出了新的要求，希望材料具有优良的综合性能，既能够为电子元器件提供安全可靠的散热途径，又能起到绝缘和减振作用，导热橡胶正好满足了这一要求，导热硅橡胶是其中典型的代表。
普通硅橡胶的导热性能较差，热导率通常只有0.2W/m·K左右；加入导热填料可提高硅橡胶的导热性能。常用的导热填料有金属粉末(如Al、Ag、Cu等)、金属氧化物(如Al2O3、MgO、BeO等)、金属氮化物(女口Si3N4、Al2O3、BN等)及非金属材料(如SiC、石墨、炭黑等)。同金属粉末相比，金属氧化物、金属氮化物的导热性虽然较差，但能保证硅橡胶具有良好的电绝缘性能。金属氧化物中，Al2O3是最常用的导热填料；金属氮化物中，Si3N4、Al2O3是最常用的导热填料。本文综述了当前国内外导热硅橡胶的研究进展。
1导热硅橡胶的理论研究
1.1导热模型
对于填充型导热高分子材料，已提出了不少导热模型，如适用于球形及无规则形状粒子填充的Maxwell-Euckenc2)、Bruggeman-3)、Cheng-Vachon等模型以及预测片状填料填充的Hatta模型。用它们来预测球形填料的体积分数小于20％的高分子复合材料的导热性能。对导热硅橡胶来讲，因填料体积分数较大，上述导热模型实际上不适合预测其导热性能。下面几个导热模型，在一定程度上更适合描述高填充量及混合粒子填充硅橡胶的导热行为。
Nielsen-Lewis模型考虑到导热粒子形状及粒子在体系中的聚集类型和取向方式，数学式如式1。
λ=(1+ABV)/(1-B?V)(1)
式中，A的取值依赖于分散粒子的形态和取向方式；B=(λ2/λl-1)/(λ2/λl+A)；?=1+V2(1-Vm)/Vm2；Vm是粒子的最大体积堆积分数。对于球形无规则堆积的粒子，A=1.5，V=0.637。
Agari模型分析了其它模型的不足，考虑到填充量较高时粒子之间会彼此接触而发生团聚现象，甚至形成导热链，故引入了垂直和平行传导机理。因为在复合材料中填料会影响聚合物的结晶度和结晶尺寸，改变聚合物热导率；因此，考虑填料的这个影响因素，并假设其均匀分散，得到如式2的数学表达式。
lgλ=VC2lgλ2+(1-V)lg(λlCl)(2)
式中，Cl为形成粒子导热链的自由因子，它会影响聚合物的结晶度和结晶尺寸；C2体现了形成导热链的难易程度，C2≤1。Nielsen-Lewis模型和Agari模型均适合模拟球形粒状填料在填充量大于20％时材料的导热行为。尤其是Agari模型，更适合在较大填充范围内描述材料的导热规律，并可预测形状不规则，但仍为导热各向同性填料填充时材料的导热行为。
研究混合粒子填充时，Agari等人提出了适合多种混合粒子填充时多相体系材料的导热行为模型，模型方程如式3。
lgλ=V(X2C2lgλ2+X3C3lgλ3+----)+(1-V)lg(λlCl)(3)
式中，V为混合填料在体系中的体积分数；X2，X3、---为混合填料中各种粒子占总混合粒子的统计分数。
用上述诸模型对填充硅橡胶导热行为进行预测时，应根据填料体积、种类、体系差异作出具体选择，所有的模型都是经验性的而非绝对性的。
1.2导热机理·
固体导热包括电子导热、声子导热和光子导热。在纯金属中，电子导热是主要机制；在半导体中，声子导热与电子导热作用相仿；对于大多数聚合物，由于本身无自由电子，热传导主要是通过晶格振动和分子链振动，热能载体主要是声子。
对于填充型导热高分子复合材料，若填料为导电填粗，则复合材料具有导电和导热双导特性，热传导依赖于电子传热和聚合物与填料晶格振动相互作用的结果；若填料具有高导热和电绝缘性，则复合材料的热传导通过聚合物基体的分子链振动、晶格振动与填料晶格振动的共同作用来实现。
导热硅橡胶的导热性能最终由橡胶基体和填料的综合作用决定。当填料填充量较小时，填料粒子能均匀地分散在体系中，之间没有接触和相互作用，此时填料对于整个体系的导热性贡献不大。当填充量达到一定数值时，填料粒子之间有了相互作用，在体系中形成了类似链状和网状的形态，称为导热网链，当导热网链的取向与热流方向一致时，材料导热性能提高很快；但若在热流方向上未形成导热网链时，则填料在热流方向上造成很大的热阻，导致材料导热性能较差。因此，在体系内部形成最大程度的导热网链是提高热导率的关键。
2导热硅橡胶的研究现状2.1金属或金属氧化物填充型导热硅橡胶
潘大海等人以液体硅橡胶为基胶，刚玉粉为导热填料，制备了填充型室温硫化导热硅橡胶。较佳工艺为：刚玉粉的用量200份，刚