導(dǎo)熱復(fù)合材料的應(yīng)用

從材料發(fā)展的歷史來看，推動(dòng)復(fù)合材料發(fā)展的關(guān)鍵是在于其本身具有卓越的強(qiáng)度、剛度和低密度，由于復(fù)合材料這些性能，使其在結(jié)構(gòu)和承力系統(tǒng)上取得很大成功，從而被廣泛應(yīng)用。但是，大多數(shù)結(jié)構(gòu)聚合物基復(fù)合材料(PMCs)具有較低的導(dǎo)熱性，它們中的很多都被視作熱絕緣體。目前聚合物基復(fù)合材料(PMCs)、金屬基復(fù)合材料(MMCs)、陶瓷基復(fù)合材料(CMCs)和碳基復(fù)合材料(CAMCs)等都可以作為導(dǎo)熱材料，在許多場(chǎng)合的應(yīng)用無需局限于某一類復(fù)合材料，而應(yīng)綜合考慮導(dǎo)熱材料的應(yīng)用場(chǎng)合下對(duì)材料的性能要求。

為了滿足微電子、電機(jī)電器、航天航空及軍事裝備等諸多制造業(yè)和高科技領(lǐng)域的發(fā)展需求，制備具有優(yōu)良綜合性能的高導(dǎo)熱聚合物絕緣材料，已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)的研究方向。

1、工業(yè)及商業(yè)應(yīng)用

注射成型工藝生產(chǎn)了不計(jì)其數(shù)的商業(yè)化部件，其中包含了大量的商品和工程樹脂，包括聚丙烯、ABS、聚碳酸酯、尼龍、聚苯硫醚、液晶聚合物、聚硫砜和聚醚醚酮。聚合物的材料大多數(shù)有個(gè)弱點(diǎn)，就是導(dǎo)熱性能差。

在塑料工業(yè)中導(dǎo)熱塑料最大和最重要的應(yīng)用是替代金屬和金屬合金制造熱交換器。它可以代替金屬應(yīng)用于需要良好導(dǎo)熱性和優(yōu)良耐腐蝕性能的環(huán)境，如換熱器、太陽能熱水器、蓄電池的冷卻器等。電子電器工業(yè)也是應(yīng)用導(dǎo)熱塑料較多的一個(gè)領(lǐng)域，主要用來制造要求較高的導(dǎo)熱電路板。

第一，合成具有高導(dǎo)熱系數(shù)的結(jié)構(gòu)聚合物，如具有良好導(dǎo)熱性能的聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯等，主要通過電子導(dǎo)熱機(jī)制實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱，或具有完整結(jié)晶性，通過聲子實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱的聚合物；第二，通過高導(dǎo)熱無機(jī)物對(duì)聚合物進(jìn)行填充，制備聚合物/無機(jī)物導(dǎo)熱復(fù)合材料，用于填充例子種類可分為：金屬、金屬氧化物、金屬氮化物、無機(jī)非金屬、纖維填充物等。

在填料配方確認(rèn)后，決定復(fù)合材料導(dǎo)熱性的另一主要因素就是復(fù)合材料的加工工藝。根據(jù)目前導(dǎo)熱理論研究成果認(rèn)為，導(dǎo)熱高分子材料的最終導(dǎo)熱性能取決于填料在基體中的分布情況，使填料在基體中局部有序排列形成有效的導(dǎo)熱通道可以有效提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。

2、微電子和光電熱控制

散熱和熱應(yīng)力在許多微電子和光電封裝應(yīng)用中的關(guān)鍵問題。微電子包括微處理器、功率半導(dǎo)體、應(yīng)用特殊集成電路(ASICs)和RF設(shè)備，光電應(yīng)用包括激光二極管、發(fā)光二極管、液晶和等離子顯示屏、光電裝置和探測(cè)器。眾多數(shù)據(jù)表明熱控制在微處理器中至關(guān)重要。

用于電子和光電熱控封裝材料的關(guān)鍵要求：①高導(dǎo)熱性；②盡可能減小熱膨脹系數(shù)失配導(dǎo)致的局部應(yīng)力對(duì)性能可靠性的影響。③使用中易遭受沖擊振動(dòng)的應(yīng)用是另一個(gè)重要的考慮。例如，商業(yè)電子設(shè)備一般需要滿足50g的沖擊負(fù)荷，因此還需考慮復(fù)合材料的機(jī)械性能。

例如陶瓷和半導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)范圍是2-7ppm/K。銅有較高的導(dǎo)熱能力，但它的CTE為17ppm/K，會(huì)引起熱應(yīng)力相關(guān)的問題，如焊接接頭破壞和變形。采用材料復(fù)合的方式可獲取滿足封裝材料所需占比指標(biāo)，以保證器件的可靠性。

3、航空航天/國(guó)防應(yīng)用

航空航天的材料通常需要輕量化及高性能化，碳/碳復(fù)合材料是具有特殊性能的新型超高溫材料，既有纖維增強(qiáng)復(fù)合材料優(yōu)良的力學(xué)性能，又有碳材料優(yōu)異的高溫性能，特別是高溫下優(yōu)異的熱物理性能。碳/碳復(fù)合材料在2000℃的高溫下不會(huì)熔化，不會(huì)發(fā)生粘結(jié)現(xiàn)象，也沒有明顯的翹曲變形，導(dǎo)熱性能好，比熱容大，熱膨脹系數(shù)小。

碳/碳復(fù)合材料獨(dú)特的性能能夠滿足高負(fù)荷飛機(jī)剎車時(shí)的苛刻要求，所以被廣泛地用于飛機(jī)剎車材料。在飛機(jī)剎車制動(dòng)的過程中產(chǎn)生大量的熱，碳/碳復(fù)合材料高導(dǎo)熱性能有助于加快熱量從接觸界面擴(kuò)散的速度，降低摩擦面溫度，改善摩擦磨損性能，吸收和傳遞大量的熱能，從而延長(zhǎng)了剎車材料的使用壽命。

同時(shí)碳/碳復(fù)合材料可作為超高溫?zé)岱雷o(hù)材料，宇宙飛船或?qū)椫胤荡髿鈱訒r(shí)由于氣動(dòng)加熱產(chǎn)生高溫，因此必須研究材料的導(dǎo)熱性能，以導(dǎo)熱系數(shù)為代表的熱物性參數(shù)是超高溫?zé)岱雷o(hù)材料設(shè)計(jì)中不可缺少的數(shù)據(jù)。