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导热材料材质特性

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第一部分   导热高分子

 

一、什么是导热高分子

♦是侧重导热性能的一类高分子复合材料。

♦导热高分子分为导热塑料和导热橡胶两类;其中导热橡胶又分为硅橡胶和其他橡胶。

二、导热高分子类型

♦本征型

高分子材料本身有较高的导热系数,如聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、高密度PE等

♦填充型

一般的聚合物本身导热性较差,需要通过高导热填料(如:金属粉、石墨、其他陶瓷材料)增加导热性,如导热硅胶

三、导热机理

各种材料的导热机理是不一样的。

♦电子导热

通过电子的热运动将热量进行传递,如:聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、金属、石墨等。

♦声子导热

通过声子(即晶格)的热运动将热量进行传递,如高结晶聚合物、完整晶格结构的无机物(金刚石、氧化铝、氮化硼、氧化铍等)

四、材料导热能力的表征-------导热系数

热传导是通过电子或声子的运动将热能从高温部分传递到低温部分。 若物体中存在温度梯度dT/dx,则单位时间通过垂直于温度梯度方向的单位面积 的热能dQ/dt,与温度梯度成正比。即 : 

dQ/dt=- kAdT/dx         k 称为导热系数,单位为W/M·K 
 导热高分子复合材料的导热系数取决于高分子材料及填充材料的特性及其复合的特性。

五、过程导热能力的表征---热阻

热阻表示材料阻止热量流动的能力。 
 即:R=(T2-T1)/P=H/kA, 
      R-热阻(K/W),T2-高温,T1-低温,P-热功率,H-厚度,A-导热面积 
传热过程中实际热阻还包括界面接触热阻,所以总热阻为:R=H/kA+Ri。

因此,过程导热能力不仅与导热材料的导热系数 有关,同时还与和电子器件及散热器件的实际接 触面积、接触压力有关。

六、导热高分子的绝缘性

由导热机理可知,导热高分子有绝缘的和导电的之分

导热高分子分为:

导电导热高分子:电子热运动机理的导热高分子

绝缘导热高分子:声子热运动机理的导热高分子

七、电子器件散热用导热材料的要求

1、电绝缘----不会使线路导通

2、耐电压----在高电压下不会击穿

3、高导热----提供高效导热通道,将电子器件产生的热量高效的传递给散热器件

4、柔软性----充分填满电子器件与散热器件之间的缝隙,使导热通道完善

5、阻燃性----安全

6、耐老化----保证电子产品的使用寿命

八、导热高分子材料的组成

1、导热填充材料----导热分体

2、高分子聚合物----导热分体的粘料

3、改性助剂----赋予特殊功能如:阻燃、颜色

4、加工助剂----赋予成型加工性

 

第二部分   导热硅橡胶

一、什么是导热硅橡胶

导热硅橡胶是以有机硅树脂为粘接材料,填充导热粉体达到导热目的的高分子复合材料。

有机硅树脂本身的导热系数为0.165w/m.k,约为其他有机橡胶的两倍,只是本体还不足以达到很好的导热的目的,因此,要通过填充其他高导热材料增加其导热系数。

二、导热硅橡胶的组成

1、有机硅树脂

2、绝缘导热填料:氧化铝、氧化镁、氮化硼、氮化铝、氧化铍、石英等

3、有机硅增塑剂

4、阻燃剂、氢氧化镁、氢氧化铝

5、无机着色素

6、交联剂

7、催化剂

三、导热硅橡胶各组分的性质

1、有机硅树脂

            R             R                 R                  R
             |              |                  |                    | 
 R′— Si—O—[Si—O―]m—[Si—O―] n —Si—R′
             |              |                  |                     |
            R             R                 R ′                  R 

方式中m、n 代表链段数,R′是烷基或乙烯基(-CH=CH2),R是甲基。 
        有机硅树脂是一种直链状的高分子量的聚有机硅氧烷,分子量为1万-80万。

2、交联反应

    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

 

通过交联形成立体网状结构,高分子树脂不再具备流动性,但有一定的形状。

3、结构的特点

a、硅的电负性

某些元素的电负性

    

Si-O键的电负性相差很大,有较强的离子型(极性),故有机硅树脂易被强酸、强碱等化合物断裂。反应式如下:

酸式断裂:≡Si-O-Si≡+2HA → 2 ≡Si-O-A+H2O

碱式断裂:≡Si-O-Si≡+MOH → ≡Si-O-M+ ≡Si-O-OH 

因此,有机硅树脂不耐强酸强碱

b、硅键及键能

硅键与碳键的键能(kJ/mol)

由上可知,有机硅主链上的Si-O键的键能大于C-C键的 键能,所以,以 Si-O-Si键构成的有机硅树脂有很高的热稳 定性,比一般以C-C键结构的有机树脂更耐温。

实际上,常见的砂、石、玻璃、陶瓷、石英等无机物 均含有Si-O-Si键,所以有机硅树脂兼具有机聚合物与无机 材料的特性。

侧链上的Si-C键是有机化合物的基础与特征,由于Si与 C的电负性差值较小,故Si-C键基本上属于共价键,在一定条件下可发生均裂及异裂反应。 

 Si-C键的键能较高,所以热稳定性较好,如Ph4Si在425℃下蒸馏不致发生分解。但在强酸下共热仍可发生断 裂反应。

 C-H键的键能比Si-C键的还高,所以也高温稳定。

因此,有机硅树脂总的来说有极好的耐温性,在无酸碱的条件下可以在270℃下使用,耐温性仅次于含氟树脂, 比通用的树脂(如:丙烯酸酯树脂、聚氨酯、乙丙橡胶、 丁腈橡胶等)的耐温性高得多。

c、侧基

有机硅树脂的侧基为甲基(-CH3),由于C与H的电负性相差很小,所以-CH3为非极性基,尽管Si-O-Si键有极 性,但被非极性的-CH3屏蔽后,整体呈非极性,故分子间 作用力很小。同时,由于-CH3可以围绕Si-O键自由旋转及 -CH3的空间作用,导致其有极好的柔顺性。

 因此, 有机硅树脂有极低的玻璃化转变温度 (Tg=-125℃)、良好的绝缘性及低的介电常数。

有机硅树脂在-70 ℃时还可使用

4、性质

♦ 耐高温性:270℃可以使用

♦ 低温弹性:-70℃还有弹性

♦ 优良的耐候性及耐辐射性

♦ 卓越的电绝缘性:体积电阻:1x1014~1016欧.厘米

♦ 优良的介电性:介电损耗正切小于10-3、

                           介电常数2.7~3.3(50Hz/25℃)

                           介电强度18~3kV/mm

♦ 生理惰性(无毒)

♦ 地表面活性

5、老化特性

有机硅树脂在空气中的耐热性比有机橡胶好得多,在 150 ℃下其物理机械性能基本不变,可半永久使用,在200 ℃下可连续使用10000小时以上,以下是其在不同温度下的 使用寿命。 

有机硅树脂在高温下,有氧气时,发生甲基氧化反应,引起交联,使制品变硬,乃至发生开裂。在密闭体系中主 要发生解聚反应,使制品变软,以致丧失机械强度。

老化机理如下:

a、氧化反应:

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

                                      OH            OH        O       O 
                                       ︱            ︱           ︱      ︱

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

b、解聚反应:

    CH3
       |
 —[Si—O—] n — → D3(三聚体)+D4 (四聚体) 
       |
    CH3

                氧化 ——→硬化

                解聚 ——→软化

2、导热填料

 主要是氧化铝、氧化镁、氮化硼、氮化铝、氧化铍等陶瓷粉体。 

 下面说明一下各陶瓷粉体的性能:
 (1)、绝缘性 

(2)、导热率

                                                                            导热率与温度的关系

               

(3)、熔点

                   

3、其他助剂

  1. 1、有机硅增塑剂与交联剂化学结构类同有机硅树脂, 性质也类同。本公司的增2、塑剂为活性增塑剂,交联后与有 机硅树脂形成一体,减少析出和挥发; 
  2. 3、阻燃剂氢氧化铝和氢氧化镁分别在245 ℃和340 ℃ 条件下分解,吸收热量,4、释放水分,起到阻燃效果; 
  3. 5、无机着色剂用量极少,耐温大于300 ℃;
  4. 6、催化剂用量极微,还可以起到阻燃的作用。

四、导热硅橡胶的综合性能

从以上的配方组成及组分的性质可以看出,导热硅橡胶的有优异的综合性能:  

1、优异的耐高低温性能:-70-270 ℃; 

2、优异的耐高温老化性能:150 ℃下可以长期工作;

 3、优异的电绝缘性能;  

4、稳定的导热性能:随温度变化不大;  

5、优异的柔顺填逢性能。

 

 

 

2020年5月6日 10:04
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