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摘要：相比于金屬材料，導熱高分子材料具有密度、熱膨脹系數低，耐腐蝕性能好，加工工藝適應性強等優點，因此成為材料學者研究的熱點之一。本文就目前聚酰胺6(pa6)導熱復合材料常用的研究方法及導熱填料進行了綜述。

關鍵詞：聚酰胺6；復合材料；導熱性；導熱填料；研究現狀

高分子材料具有密度低、耐腐蝕性強、加工工藝適應性強等優點，在很多場合已逐漸替代金屬材料。其中，導熱高分子材料在熱交換器、LED散熱器、印刷線路板等領域具有廣泛的應用前景。但高分子材料通常均屬于絕緣材料，導熱性很差，故提升其導熱性能以滿足相關領域的使用要求，成為當前研究的熱點。導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熱通道或三維導熱網絡，后者則是通過化學合成，得到具有高熱導率結構的高分子材料[1]。高分子材料中，聚酰胺6(PA6)因其良好的熱塑性、韌性、耐磨性及熱穩定性，已被廣泛應用于導熱高分子材料中。本文就當前PA6基導熱復合材料的常用填料及相關研究進展進行了綜述。

1導熱機理

導熱性能是指在同一物體內不同溫度區域或兩個相互接觸且溫度不同的物體，由高溫區向低溫區傳導熱量的能力，而熱量傳導實質上是能量的傳導過程。熱量在物體中的傳導形式與物體存在形式有關，其中在液態和氣態物質中以熱對流和熱擴散這兩種形式傳導，而在固態物質中的傳導形式則有3種：聲子傳導、光子傳導、電子傳導。在固態高分子的結晶部分，熱量的傳導主要依靠晶體晶格的振動來進行，即依靠晶格振動產生的聲子傳導熱量；而在固態高分子的非結晶部分則需依靠原子和分子進行熱量的傳導。在固態金屬中，由于金屬中電子較多，熱量的傳導主要依靠電子傳導，故金屬的導熱性能遠高于高分子材料。一般高分子材料的導熱性較差，為提高其導熱性可向材料中添加導熱性能優良的各種填料，而填料在基體中的狀態決定了高分子復合材料導熱性能的優劣。當填料的質量分數較小時，基體中的填料之間分布相對較遠，無法相互作用以進行熱量的傳導。只有當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熱網絡，并達到一定的填料堆砌度時，才能起到良好的導熱作用，使復合材料具有導熱降溫效果。

2導熱填料

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熱性能，因而被廣泛應用于導熱復合材料領域。麥偉宗等[2]利用雙螺桿擠出機制備了PA6/Al2O3導熱復合材料，研究了Al2O3添加量對復合材料導熱性能的影響。研究結果顯示，隨著Al2O3添加量的提高，復合材料的導熱性能呈現逐漸上升的趨勢。其中當Al2O3的質量分數為50%時，復合材料的導熱系數可達到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復合材料導熱性能的影響。研究結果顯示，隨著Al2O3添加量的增加，復合材料的導熱性能逐漸提高；隨著Al2O3粒徑的逐漸增大，PA6/Al2O3復合材料的導熱系數先增大后減小，其中當片狀Al2O3的粒徑為5µm、添加量為50%時，復合材料的導熱系數達到0.83W/(K•m)；不同形貌的Al2O3混合填充后有利于有效導熱通道的形成，片狀Al2O3與球狀Al2O3所形成的導熱網絡“橋接”之后，能夠形成更多的有效導熱網絡。劉舉等[5]將采用偶聯劑進行表面改性的MgO填充到PA6中，研究了MgO的添加量、粒徑對復合材料力學性能、絕緣性能、導熱性能的影響。研究結果表明，復合材料的導熱系數伴隨MgO添加量的增加而增大，其中當MgO添加量為60%時，復合材料的導熱系數達到1.4W/(m•K)左右，且加工性能及力學性能良好，而當MgO添加量增至80%時，復合材料的導熱系數可達到2.0W/(m•K)。林俊輝等[6]將表面有機化改性的ZnO填充到PA6中，制備了PA6/ZnO導熱復合材料。研究結果表明，有機化改性后，ZnO粉體的吸油性及團聚現象明顯降低，使其在復合材料中分布更加均勻，其中當ZnO填充量為25%(體積分數)時，復合材料具有良好的綜合性能，其導熱系數達到1.05W/(m•K)。

2.2氮化物填料氮化物具有很多優良的性能，如導熱性、電絕緣性、介電性、耐高溫性、高熔點、高化學穩定性等，基于上述性能，許多研究者將氮化物填加到高分子基體中，以提高復合材料的導熱性能。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導熱性能的影響。研究結果顯示，復合材料的導熱系數隨著AlN或BN添加量的增加而增大；當兩種填料的添加量相同時，所制復合材料的導熱性能相差不大；當填料添加量為60%時，兩種復合材料的導熱系數均提高至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復合材料導熱性能和力學性能的影響。研究結果表明，AlN粒徑的變化會使基體材料與填料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發生改變，從而改變復合材料的綜合性能。隨著AlN粒徑的增大，PA6/AlN復合材料的導熱系數先升高而后逐漸降低，其中在AlN粒徑為3μm、添加量為50%時，復合材料的綜合性能達到最佳，其導熱系數達到1.1W/(m•K)左右，同時具有良好的力學性能。

2.3碳化物填料碳化物具有優良的導熱性、耐高溫性，因此常被添加到高分子材料中，以提高材料的導熱性及熱穩定性，從而擴寬高分子材料的應用范圍。步真松[9]研究了4種不同粒徑的SiC顆粒對PA6導熱性能的影響。研究發現，當SiC粒徑為微米級且填充量小于30%時，隨著SiC粒徑的減小，復合材料的導熱系數逐漸提高，但提升幅度不大。當SiC粒徑一定時，隨著SiC填充量的增加，復合材料的導熱系數逐漸增大，其中當SiC的粒徑為50µm、添加量為60%時，復合材料的導熱系數達到1.5W/(m•K)左右；當采用納米級SiC填充PA6后，由于SiC的粒徑極小，使基體中SiC粒子相互接觸以進行熱量傳遞的接觸面積減小，造成復合材料中的導熱網絡相對較少，導致該復合材料的導熱性能低于微米級SiC填充復合材料。劉經港[10]將SiC加入到PA6中，探究了SiC的添加量對PA6/SiC復合材料導熱性能的影響。研究發現，隨著SiC質量分數的增加，復合材料的導熱系數逐漸增大，其中當SiC的質量分數為60%時，復合材料的導熱系達到1.1W/(m•K)，而當SiC的質量分數高于60%時，復合材料的導熱性能雖有所提高，但其加工性能及力學性能顯著下降。

2.4碳系填料碳系填料具有很多優越的性能，如高導熱、導電性能，卓越的耐高溫、耐摩擦性能以及較低的密度等，常被作為導熱填料填充到高分子基體中，以提高材料的導熱性能及耐高溫性能。吳惠民[11]將石墨烯和Al2O3復合添加到PA6中，研究了配比對PA6/石墨烯/Al2O3復合材料性能的影響。研究表明，當PA6/石墨烯/Al2O3復合材料的配比為100/15/35時，復合材料的導熱性能、力學性能達到最佳，其導熱系數達到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，制備了多種導熱復合材料。研究表明，單一填料填充時，其粒徑越大、填充量越高，復合材料的導熱性能越好；不同粒徑的填料復配后，其對復合材料的導熱和增強效果優于單一粒徑的填料。將鍍鎳碳納米管和退漿碳纖維混雜填充，當填充量為25%時，復合材料的導熱系數可達1.42W/(m•K)，同時具有良好的力學性能。郝喜東[13]將石墨填充到PA6基體中，通過熔融共混制備了PA6/石墨復合材料。研究發現，復合材料的導熱性能、彎曲性能、拉伸性能均隨石墨添加量的增加而逐漸提升，其中當石墨(300目)的添加量為50%時，復合材料的導熱系數達到2.38W/(m•K)，其綜合性能達到最佳；此外，將不同粒徑的石墨復配后進行填充，可使復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/石墨復合材料導熱性能和力學性能的影響。結果表明，采用不同粒徑石墨的復配填料填充后，復合材料的導熱性能優于單獨一種石墨填充的復合材料，其中當兩種石墨的粒徑比為

2.4時，復合材料的最大導熱系數達到1.598W/(m•K)；隨著粒徑比的逐漸增大，復合材料的最大導熱系數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異的導熱性能和力學性能，但因其導電性非常好，故不能直接應用到電子設備上。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熱性成為當前的研究熱點。張寧等[15]將少量連續鋁纖維(質量分數≤10%)添加到PA6基體中，制備了PA6/鋁纖維復合材料。研究結果顯示，鋁纖維不僅使PA6的導熱性得到很大提高，還使其力學性能得到了提升，且鋁纖維添加量越高、纖維長度越長，復合材料導熱系數的提高幅度越大。本課題組探究了鋁粉的添加量對PA6/鋁粉復合材料導熱性能的影響。研究結果顯示，當鋁粉添加量為50%時，復合材料的導熱系數可達0.87W/(m•K)，且材料的綜合性能最佳；而繼續增大鋁粉添加量，對復合材料的導熱性能影響不大。

3結語

隨著集成電子技術的蓬勃發展，電子設備逐漸向質量輕、小體積方向發展，且集成度越來越高，所產生的熱量也逐漸增多，從而帶動了導熱高分子復合材料相關領域研究的發展，該材料必會在不久的將來得到廣泛應用，因此如何改善高分子復合材料的導熱性成為研究的重點。雖然許多研究者已進行了大量工作，但目前導熱高分子復合材料的開發尚存在諸多問題，最為突出的問題是：當導熱填料填充量增加時，雖然復合材料的導熱性能有所提高，但其力學性能明顯下降，從而影響了材料的應用范圍。因此如何解決材料導熱性能與力學性能之間的矛盾，將是今后研究工作者的重點研究方向。為提高導熱高分子復合材料的綜合性能，研究人員應重點從以下方面進行研究：(1)添加導熱填料導致基體力學性能降低，主要是因為填料與基體的結合性不佳，通常的解決手段主要是利用偶聯劑處理填料，該方法雖然具有一定效果但不太理想，需開發新型表面處理技術，以提高基體樹脂對填料表面的潤濕效果。(2)目前復合材料的制備主要采用熔融共混法，當填料含量較高時，復合材料的加工性能較差，因此需要開發新的成型方法，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，即可形成較多的有效導熱網絡，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熱性能明顯優于單一填料，需要繼續探索混雜效應的影響規律。

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作者：朱文強 張保豐 蔣愛云 羅曼曼 單位：黃河科技學院