PA6導(dǎo)熱復(fù)合材料現(xiàn)狀分析范文

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摘要：相比于金屬材料，導(dǎo)熱高分子材料具有密度、熱膨脹系數(shù)低，耐腐蝕性能好，加工工藝適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此成為材料學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。本文就目前聚酰胺6(pa6)導(dǎo)熱復(fù)合材料常用的研究方法及導(dǎo)熱填料進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：聚酰胺6；復(fù)合材料；導(dǎo)熱性；導(dǎo)熱填料；研究現(xiàn)狀

高分子材料具有密度低、耐腐蝕性強(qiáng)、加工工藝適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在很多場合已逐漸替代金屬材料。其中，導(dǎo)熱高分子材料在熱交換器、LED散熱器、印刷線路板等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。但高分子材料通常均屬于絕緣材料，導(dǎo)熱性很差，故提升其導(dǎo)熱性能以滿足相關(guān)領(lǐng)域的使用要求，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。導(dǎo)熱高分子材料常用的制備方法包括填充法和合成法，前者是在高分子材料中填充高導(dǎo)熱性的填料，使填料在基體中均勻分布，形成足夠多的有效導(dǎo)熱通道或三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，后者則是通過化學(xué)合成，得到具有高熱導(dǎo)率結(jié)構(gòu)的高分子材料[1]。高分子材料中，聚酰胺6(PA6)因其良好的熱塑性、韌性、耐磨性及熱穩(wěn)定性，已被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)熱高分子材料中。本文就當(dāng)前PA6基導(dǎo)熱復(fù)合材料的常用填料及相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1導(dǎo)熱機(jī)理

導(dǎo)熱性能是指在同一物體內(nèi)不同溫度區(qū)域或兩個(gè)相互接觸且溫度不同的物體，由高溫區(qū)向低溫區(qū)傳導(dǎo)熱量的能力，而熱量傳導(dǎo)實(shí)質(zhì)上是能量的傳導(dǎo)過程。熱量在物體中的傳導(dǎo)形式與物體存在形式有關(guān)，其中在液態(tài)和氣態(tài)物質(zhì)中以熱對流和熱擴(kuò)散這兩種形式傳導(dǎo)，而在固態(tài)物質(zhì)中的傳導(dǎo)形式則有3種：聲子傳導(dǎo)、光子傳導(dǎo)、電子傳導(dǎo)。在固態(tài)高分子的結(jié)晶部分，熱量的傳導(dǎo)主要依靠晶體晶格的振動(dòng)來進(jìn)行，即依靠晶格振動(dòng)產(chǎn)生的聲子傳導(dǎo)熱量；而在固態(tài)高分子的非結(jié)晶部分則需依靠原子和分子進(jìn)行熱量的傳導(dǎo)。在固態(tài)金屬中，由于金屬中電子較多，熱量的傳導(dǎo)主要依靠電子傳導(dǎo)，故金屬的導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)高于高分子材料。一般高分子材料的導(dǎo)熱性較差，為提高其導(dǎo)熱性可向材料中添加導(dǎo)熱性能優(yōu)良的各種填料，而填料在基體中的狀態(tài)決定了高分子復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的優(yōu)劣。當(dāng)填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí)，基體中的填料之間分布相對較遠(yuǎn)，無法相互作用以進(jìn)行熱量的傳導(dǎo)。只有當(dāng)均勻分布在基體中的填充材料彼此接觸，形成足夠多的三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，并達(dá)到一定的填料堆砌度時(shí)，才能起到良好的導(dǎo)熱作用，使復(fù)合材料具有導(dǎo)熱降溫效果。

2導(dǎo)熱填料

2.1金屬氧化物填料金屬氧化物通常具有良好的導(dǎo)熱性和電絕緣性，將其作為填料加至高分子材料中可以顯著改善材料的導(dǎo)熱性能，因而被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)熱復(fù)合材料領(lǐng)域。麥偉宗等[2]利用雙螺桿擠出機(jī)制備了PA6/Al2O3導(dǎo)熱復(fù)合材料，研究了Al2O3添加量對復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響。研究結(jié)果顯示，隨著Al2O3添加量的提高，復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。其中當(dāng)Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)到0.543W/(K•m)左右，比純PA6提高了1.57倍。丁鵬等[3]研究了Al2O3的添加量、粒徑、形貌對PA6/Al2O3復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響。研究結(jié)果顯示，隨著Al2O3添加量的增加，復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能逐漸提高；隨著Al2O3粒徑的逐漸增大，PA6/Al2O3復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)先增大后減小，其中當(dāng)片狀A(yù)l2O3的粒徑為5µm、添加量為50%時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到0.83W/(K•m)；不同形貌的Al2O3混合填充后有利于有效導(dǎo)熱通道的形成，片狀A(yù)l2O3與球狀A(yù)l2O3所形成的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)“橋接”之后，能夠形成更多的有效導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。劉舉等[5]將采用偶聯(lián)劑進(jìn)行表面改性的MgO填充到PA6中，研究了MgO的添加量、粒徑對復(fù)合材料力學(xué)性能、絕緣性能、導(dǎo)熱性能的影響。研究結(jié)果表明，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)伴隨MgO添加量的增加而增大，其中當(dāng)MgO添加量為60%時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到1.4W/(m•K)左右，且加工性能及力學(xué)性能良好，而當(dāng)MgO添加量增至80%時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)到2.0W/(m•K)。林俊輝等[6]將表面有機(jī)化改性的ZnO填充到PA6中，制備了PA6/ZnO導(dǎo)熱復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，有機(jī)化改性后，ZnO粉體的吸油性及團(tuán)聚現(xiàn)象明顯降低，使其在復(fù)合材料中分布更加均勻，其中當(dāng)ZnO填充量為25%(體積分?jǐn)?shù))時(shí)，復(fù)合材料具有良好的綜合性能，其導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到1.05W/(m•K)。

2.2氮化物填料氮化物具有很多優(yōu)良的性能，如導(dǎo)熱性、電絕緣性、介電性、耐高溫性、高熔點(diǎn)、高化學(xué)穩(wěn)定性等，基于上述性能，許多研究者將氮化物填加到高分子基體中，以提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。李明輝等[7]將AlN、BN分別添加到PA6中，研究了AlN和BN的引入對PA6導(dǎo)熱性能的影響。研究結(jié)果顯示，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著AlN或BN添加量的增加而增大；當(dāng)兩種填料的添加量相同時(shí)，所制復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能相差不大；當(dāng)填料添加量為60%時(shí)，兩種復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)均提高至1.0W/(m•K)左右。潘世濠等[8]研究了AlN的添加量及粒徑對PA6/AlN復(fù)合材料導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明，AlN粒徑的變化會(huì)使基體材料與填料AlN之間的接觸面積，以及AlN粒子之間相互接觸的面積和狀態(tài)發(fā)生改變，從而改變復(fù)合材料的綜合性能。隨著AlN粒徑的增大，PA6/AlN復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)先升高而后逐漸降低，其中在AlN粒徑為3μm、添加量為50%時(shí)，復(fù)合材料的綜合性能達(dá)到最佳，其導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到1.1W/(m•K)左右，同時(shí)具有良好的力學(xué)性能。

2.3碳化物填料碳化物具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性、耐高溫性，因此常被添加到高分子材料中，以提高材料的導(dǎo)熱性及熱穩(wěn)定性，從而擴(kuò)寬高分子材料的應(yīng)用范圍。步真松[9]研究了4種不同粒徑的SiC顆粒對PA6導(dǎo)熱性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SiC粒徑為微米級且填充量小于30%時(shí)，隨著SiC粒徑的減小，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸提高，但提升幅度不大。當(dāng)SiC粒徑一定時(shí)，隨著SiC填充量的增加，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，其中當(dāng)SiC的粒徑為50µm、添加量為60%時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到1.5W/(m•K)左右；當(dāng)采用納米級SiC填充PA6后，由于SiC的粒徑極小，使基體中SiC粒子相互接觸以進(jìn)行熱量傳遞的接觸面積減小，造成復(fù)合材料中的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)相對較少，導(dǎo)致該復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能低于微米級SiC填充復(fù)合材料。劉經(jīng)港[10]將SiC加入到PA6中，探究了SiC的添加量對PA6/SiC復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸增大，其中當(dāng)SiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系達(dá)到1.1W/(m•K)，而當(dāng)SiC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于60%時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能雖有所提高，但其加工性能及力學(xué)性能顯著下降。

2.4碳系填料碳系填料具有很多優(yōu)越的性能，如高導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，卓越的耐高溫、耐摩擦性能以及較低的密度等，常被作為導(dǎo)熱填料填充到高分子基體中，以提高材料的導(dǎo)熱性能及耐高溫性能。吳惠民[11]將石墨烯和Al2O3復(fù)合添加到PA6中，研究了配比對PA6/石墨烯/Al2O3復(fù)合材料性能的影響。研究表明，當(dāng)PA6/石墨烯/Al2O3復(fù)合材料的配比為100/15/35時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能、力學(xué)性能達(dá)到最佳，其導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到2.14W/(m•K)。朱帥甫[12]將碳纖維、碳納米管、石墨、MgO等填料添加PA6基體中，制備了多種導(dǎo)熱復(fù)合材料。研究表明，單一填料填充時(shí)，其粒徑越大、填充量越高，復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能越好；不同粒徑的填料復(fù)配后，其對復(fù)合材料的導(dǎo)熱和增強(qiáng)效果優(yōu)于單一粒徑的填料。將鍍鎳碳納米管和退漿碳纖維混雜填充，當(dāng)填充量為25%時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)1.42W/(m•K)，同時(shí)具有良好的力學(xué)性能。郝喜東[13]將石墨填充到PA6基體中，通過熔融共混制備了PA6/石墨復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能、彎曲性能、拉伸性能均隨石墨添加量的增加而逐漸提升，其中當(dāng)石墨(300目)的添加量為50%時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到2.38W/(m•K)，其綜合性能達(dá)到最佳；此外，將不同粒徑的石墨復(fù)配后進(jìn)行填充，可使復(fù)合材料的綜合性能得到提高。周海堤等[14]將3種不同粒徑的石墨兩兩組合后加入到PA6基體中，固定填料添加量，研究不同粒徑石墨的配比對PA6/石墨復(fù)合材料導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，采用不同粒徑石墨的復(fù)配填料填充后，復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能優(yōu)于單獨(dú)一種石墨填充的復(fù)合材料，其中當(dāng)兩種石墨的粒徑比為

2.4時(shí)，復(fù)合材料的最大導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到1.598W/(m•K)；隨著粒徑比的逐漸增大，復(fù)合材料的最大導(dǎo)熱系數(shù)向小粒徑填料低添加量方向偏移。2.5純金屬填料雖然金屬通常具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能，但因其導(dǎo)電性非常好，故不能直接應(yīng)用到電子設(shè)備上。而將金屬材料加入到高分子基體中以改善高分子材料的導(dǎo)熱性成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。張寧等[15]將少量連續(xù)鋁纖維(質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤10%)添加到PA6基體中，制備了PA6/鋁纖維復(fù)合材料。研究結(jié)果顯示，鋁纖維不僅使PA6的導(dǎo)熱性得到很大提高，還使其力學(xué)性能得到了提升，且鋁纖維添加量越高、纖維長度越長，復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的提高幅度越大。本課題組探究了鋁粉的添加量對PA6/鋁粉復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響。研究結(jié)果顯示，當(dāng)鋁粉添加量為50%時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)0.87W/(m•K)，且材料的綜合性能最佳；而繼續(xù)增大鋁粉添加量，對復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能影響不大。

3結(jié)語

隨著集成電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，電子設(shè)備逐漸向質(zhì)量輕、小體積方向發(fā)展，且集成度越來越高，所產(chǎn)生的熱量也逐漸增多，從而帶動(dòng)了導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料相關(guān)領(lǐng)域研究的發(fā)展，該材料必會(huì)在不久的將來得到廣泛應(yīng)用，因此如何改善高分子復(fù)合材料的導(dǎo)熱性成為研究的重點(diǎn)。雖然許多研究者已進(jìn)行了大量工作，但目前導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料的開發(fā)尚存在諸多問題，最為突出的問題是：當(dāng)導(dǎo)熱填料填充量增加時(shí)，雖然復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能有所提高，但其力學(xué)性能明顯下降，從而影響了材料的應(yīng)用范圍。因此如何解決材料導(dǎo)熱性能與力學(xué)性能之間的矛盾，將是今后研究工作者的重點(diǎn)研究方向。為提高導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料的綜合性能，研究人員應(yīng)重點(diǎn)從以下方面進(jìn)行研究：(1)添加導(dǎo)熱填料導(dǎo)致基體力學(xué)性能降低，主要是因?yàn)樘盍吓c基體的結(jié)合性不佳，通常的解決手段主要是利用偶聯(lián)劑處理填料，該方法雖然具有一定效果但不太理想，需開發(fā)新型表面處理技術(shù)，以提高基體樹脂對填料表面的潤濕效果。(2)目前復(fù)合材料的制備主要采用熔融共混法，當(dāng)填料含量較高時(shí)，復(fù)合材料的加工性能較差，因此需要開發(fā)新的成型方法，一方面解決材料的加工問題，另一方面提高填料的分散性和取向性，使其在較小填充量時(shí)，即可形成較多的有效導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，從而改善材料的綜合性能。(3)混雜填料對提高高分子材料的導(dǎo)熱性能明顯優(yōu)于單一填料，需要繼續(xù)探索混雜效應(yīng)的影響規(guī)律。

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作者：朱文強(qiáng) 張保豐 蔣愛云 羅曼曼 單位：黃河科技學(xué)院