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1、导热高分子材料的研究物理1002班201065110221任赛璞长沙理工大学物理与电子科学学院概要：介绍了导热高分子材料的研究背景，导热高分子材料的制作，金属材料、非金属材料、高分子材料的导热机理，以及导热材料掺杂高分子材料的导热理论。导热高分子材料的优势，最后提出了其发展前景。关键字：导热高分子材料、导热机理、导热理论、研究方向一：引言传统的导热物质一般为金属如Au、Fe、Al和金属氧化物如Al2O3、Fe2O3，还有一些特殊的非金属材料例如石墨、Si3N4等也可以导热。但是随着工业生产以及科学技术的发展，传统的到导热材料已经不能满足人们的需求了，人们对新的导热材料有了更多的要求，如在化工生
2、产和废水处理中使用的热交换器既需要所用材料具有导热能力,又要求其耐化学腐蚀、耐高温。在电气电子领域由于集成技术和组装技术的迅速发展,电子元件、逻辑电路的体积成千成万倍地缩小,则需要高导热性的绝缘材料。近几年来，高分子材料的应用领域在不断地扩展，用人工合成的高分子材料代替传统工业中使用的各种材料,特别是金属材料,已成为世界科研努力的方向之一。二导热高分子材料的制作高分子材料是以高导热性的金属或无机元素为导热介质,将其注入各类金属(或非金属)管状、夹层板腔内,经密封成形后,形成具有导热性能的元件。在各种工况下,导热元件内的导热介质受热激发产生动能而运动、振动,并伴随有化学、物理变化,将热能快速激发
3、并呈波状快速传递,这样高速运动的粒子流载着大量的热能,传到冷端放热,冷却后又恢复常态回到加热段继续吸热而传导。在整个传热过程中,元件的表面呈现出热阻趋于零的特征。这样得到的导热材料价格低廉、易加工成型,经过适当的工艺处理或配方调整可以应用于某些特殊领域。三、金素材料的导热机理金属的导热性的差别在于金属键的强弱区别。金属晶体的导热是由于晶体内部，自由电子与金属阳离子的碰撞，另一个金属原子又失去最外层电子，碰撞到第三个（形容词）金属阳离子上成为中性原子。假如右端受热，右端的中性原子失去电子带着能量向左边金属阳离子传递左边金属原子，受热又失去电子，再向左端传递。这样热就从右端导到左端了。金属导体的热
4、传导主要是通过电子的运动，而绝缘体的热传导主要依靠格波的传导，即声子的运动，对于半导体，由于电阻相当高，性质介于导体和绝缘体之间，所以热导率由上述两种机构决定。一般情况，声子对热导率的贡献所占的比例要比电子的贡献大得多四、非金属材料的导热机理气体依靠分子热运动造成彼此间相互碰撞来进行热传导，液体依靠晶格的震动来进行导热。非金属的导热主要依靠声子，非金属可分为晶体非金属和非晶体非金属两类，晶体非金属其热导率仅次于金属虽然它是介电体，但仍是一种较好的导热体。金刚石（I型）,是室温下热导率最高的物质.热导率特别高的晶体非金属是非常纯的单晶体,无杂质及错位等缺陷,只有声子相互间散射带来的热阻.温度降低
5、时,声子相互散射减弱,由其引起的热阻以近似指数的规律下降,直到声子自由程被单晶体的界面限制时热阻才回升.与有序的晶体相比,非晶体非金属的规律性差,引起声子较强的非弹性散射及热导率的显著下降.如果结构引起的声子非弹性散射是唯一产生热阻的因素,那么热导率应该和温度成正比见.非金属材料的热能扩散速率主要取决于临近原子或基团的振动.在强共价键合的材料中,有序的晶体晶格中传热是比较有序的,尤其在较低的温度下,材料具有良好的的导热性,但随温度升高,晶格出现缺陷热,导率下降,因此无序无定形的固体呈现较低的导热性.五、绝缘高分子材料的导热机理对于多晶态或玻璃态的绝缘材料，由于声子自由程很小，其热导率较低。对于
6、绝缘高分子材料而言，材料的导热性能取决于含极性基团的多少和极性基团偶极化的程度。许多高分子材料是由不对称称的极性链节所构成，如聚氯乙烯、纤维素、聚酯等，它们都属于晶态或非晶态的材料，整个分子链不能完全自由运动，只能发生原子、基团或链节的振动，热导率对温度有依赖性。随着温度升高，可以发生更大基团或链节的振动，所以随着温度升高，高分子材料导热性增加。另外也取决于分子内部的结合紧密程度，这种程度除了本身结合紧密外，也可用外界的定向拉伸或模压提高热导率。故结晶聚合物热导率远大于非晶态聚合物。超拉伸的聚乙烯的导热率甚至可达到未拉伸的2倍，直至成为热的良导体，这是由于在高拉伸比时形成了相当数量的伸展分子链
7、构成的针状晶体晶桥。 另外，热导率也随分子量与交联度、取向度的增加而增加。六、填充型导热高分子复合材料的导热理论。导热高分子复合材料的导热性能最终是由高分子基体和高导热填充物综合作用决定的。作为导热高分子复合材料的填充物无论是以粒子还是以纤维形式,其自身的导热性都远大于基体材料的导热性,当填充量比较小时,彼此能够均匀的分散在体系中,它们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的贡献不大,但是当填料量达到一定程度时,填料之间开始有了相互作用,在体系中形成了类似链状和网状的形态,称为导热网链。这样,当这些导热网链的取向方向与热流方向平行时,就会在很大的程度上提高体系的导热性。这就类似于
8、一个简单的电路,当两个不同阻值的电阻并联在一起时,在一定的电压下,阻值越小的电阻对于电路中总电流的贡献越大。体系中基体和填料可以分别看作为两个热阻,显然基体本身的导热性很差使相应的热阻就很大,而填料自身的热阻是非常小的,但是体系中如果在热流方向上形不成导热网链,这使得基体热阻和填料热阻之间是串连的关系,因此在热流方向上的总热阻是很大的,最终导致体系的导热性较差。而当热流方向上形成导热网链之后,填料形成的热阻大大减小,基体热阻和填料热阻之间有了并联关系,这样导热网链对于整个体系导热性起了主导地位而大大提高了体系的导热性。七、高分子材料的优势1）启动迅速,导热速度快。自元件一端加热,数秒钟就可将热
9、量传递到另一端。2）热阻小,均温性好。当量导热系数为3.2106/M,是白银的7 000余倍。沿传热元件轴向温差趋于零,这样可使元件的表面温度基本保持一致。3）传热能力大。轴向热流密度8.6MW/m2,径向热流密度45MW/m2。4）适用温度范围广。工质工作温度范围在601 000;元件工作温度范围可达材料使用温度极限。5）与材料相容性好。与工程常用金属材料如钢、铜和铝等材料相容性好,不易产生不凝性气体,可有效延长元件使用寿命。6）操作压力低。传热元件在270时内腔工作压力仅为0.9MP,不易产生爆管。7）工质寿命长。传热工质用高温老化方式检验寿命11万h。8）适用于高寒地区。环境温度低于0时
10、不会发生冻裂现象,冬季设备停工时,不需要考虑管子的保温和防冻。9）使用行业面广。已在多种类型的换热器如空气预热器、省煤器、余热器和太阳能热水器等设备中使用。 八、 高分子材料的发展前景综上所述,导热高分子材料从基础理论到产品开发等各方面都是高分子材料研究的重要内容之一。特别是20世纪90年代以来,导热高分子复合材料导热系数预测的数学模型研究取得了一定进展,纳米复合技术的引入为导热高分子材料研究提供了新的机遇和挑战。但是,导热高分子材料的研究仅局限于简单的共混复合,所得材料的导热系数还不高,高导热聚合物本体材料和复合材料在导热机理、应用开发等方面的研究远不如导电材料研究深入,导热系数预测理论局限
11、于复合材料各组分导热系数的经验模拟,缺乏导热机理的理论支持。所以,纳米导热填料的研究和开发;聚合物树脂基体的物理化学改性;聚合物基体与导热填料复合新技术的研究和开发;聚合物复合材料导热模型的建立,导热机理(特别是聚合物基体与导热填料界面的结构与性能对材料导热性能的影响及导热通路的形成等)的研究;探索高导热本体聚合物材料的制备途径等应成为导热高分子材料研究的方向。导热高分子材料研究必将为高技术的发展奠定重要基础。九、小结导热高分子材料能够满足新时代的工业生产以及科学研究等方面的要求，是一种良好的导热材料。导热高分子材料的热传导技术在我国的应用开发目前刚刚起步,在各个领域中的应用还需进一步拓展。除
12、在石油、化工、冶金、电力、建材等行业中的烟气与空气、烟气与其他流体等主要热交换形式中得到广泛应用,并在计算机、音响等电子、电器散热系统中得到使用。在新的世纪内,用无机热传导技术将各行业的热能合理利用起来,推动企业的技术进步,提高企业热能的利用率,带动大批民用产品的发展,回收更多的绿色能源,为我国的建设服务。参考文献：1石彭非，高分子材料科学与工程 5（3）：8 （1993）2屠传经，热传导 8: 20 （1992）3徐传骧，工程电介质物理基础与进展 西安交通大学绝缘研究所讲义 9： 25 （1995） 4Choy C L.J.Polymer Chemistry Ed.，1980，（18）：1187.5师昌绪，材料大辞典 3:516 （1994）6蔡忠龙，高分子学报 6（3）：331 （1997）
