PA6导热复合材料现状分析范文

摘要：相比于金属材料，导热高分子材料具有密度、热膨胀系数低，耐腐蚀性能好，加工工艺适应性强等优点，因此成为材料学者研究的热点之一。本文就目前聚酰胺6(PA6)导热复合材料常用的研究方法及导热填料进行了综述。

关键词：聚酰胺6；复合材料；导热性；导热填料；研究现状

高分子材料具有密度低、耐腐蚀性强、加工工艺适应性强等优点，在很多场合已逐渐替代金属材料。其中，导热高分子材料在热交换器、LED散热器、印刷线路板等领域具有广泛的应用前景。但高分子材料通常均属于绝缘材料，导热性很差，故提升其导热性能以满足相关领域的使用要求，成为当前研究的热点。导热高分子材料常用的制备方法包括填充法和合成法，前者是在高分子材料中填充高导热性的填料，使填料在基体中均匀分布，形成足够多的有效导热通道或三维导热网络，后者则是通过化学合成，得到具有高热导率结构的高分子材料[1]。高分子材料中，聚酰胺6(PA6)因其良好的热塑性、韧性、耐磨性及热稳定性，已被广泛应用于导热高分子材料中。本文就当前PA6基导热复合材料的常用填料及相关研究进展进行了综述。

1导热机理

导热性能是指在同一物体内不同温度区域或两个相互接触且温度不同的物体，由高温区向低温区传导热量的能力，而热量传导实质上是能量的传导过程。热量在物体中的传导形式与物体存在形式有关，其中在液态和气态物质中以热对流和热扩散这两种形式传导，而在固态物质中的传导形式则有3种：声子传导、光子传导、电子传导。在固态高分子的结晶部分，热量的传导主要依靠晶体晶格的振动来进行，即依靠晶格振动产生的声子传导热量；而在固态高分子的非结晶部分则需依靠原子和分子进行热量的传导。在固态金属中，由于金属中电子较多，热量的传导主要依靠电子传导，故金属的导热性能远高于高分子材料。一般高分子材料的导热性较差，为提高其导热性可向材料中添加导热性能优良的各种填料，而填料在基体中的状态决定了高分子复合材料导热性能的优劣。当填料的质量分数较小时，基体中的填料之间分布相对较远，无法相互作用以进行热量的传导。只有当均匀分布在基体中的填充材料彼此接触，形成足够多的三维导热网络，并达到一定的填料堆砌度时，才能起到良好的导热作用，使复合材料具有导热降温效果。

2导热填料

2.1金属氧化物填料金属氧化物通常具有良好的导热性和电绝缘性，将其作为填料加至高分子材料中可以显著改善材料的导热性能，因而被广泛应用于导热复合材料领域。麦伟宗等[2]利用双螺杆挤出机制备了PA6/Al2O3导热复合材料，研究了Al2O3添加量对复合材料导热性能的影响。研究结果显示，随着Al2O3添加量的提高，复合材料的导热性能呈现逐渐上升的趋势。其中当Al2O3的质量分数为50%时，复合材料的导热系数可达到0.543W/(K•m)左右，比纯PA6提高了1.57倍。丁鹏等[3]研究了Al2O3的添加量、粒径、形貌对PA6/Al2O3复合材料导热性能的影响。研究结果显示，随着Al2O3添加量的增加，复合材料的导热性能逐渐提高；随着Al2O3粒径的逐渐增大，PA6/Al2O3复合材料的导热系数先增大后减小，其中当片状Al2O3的粒径为5µm、添加量为50%时，复合材料的导热系数达到0.83W/(K•m)；不同形貌的Al2O3混合填充后有利于有效导热通道的形成，片状Al2O3与球状Al2O3所形成的导热网络“桥接”之后，能够形成更多的有效导热网络。刘举等[5]将采用偶联剂进行表面改性的MgO填充到PA6中，研究了MgO的添加量、粒径对复合材料力学性能、绝缘性能、导热性能的影响。研究结果表明，复合材料的导热系数伴随MgO添加量的增加而增大，其中当MgO添加量为60%时，复合材料的导热系数达到1.4W/(m•K)左右，且加工性能及力学性能良好，而当MgO添加量增至80%时，复合材料的导热系数可达到2.0W/(m•K)。林俊辉等[6]将表面有机化改性的ZnO填充到PA6中，制备了PA6/ZnO导热复合材料。研究结果表明，有机化改性后，ZnO粉体的吸油性及团聚现象明显降低，使其在复合材料中分布更加均匀，其中当ZnO填充量为25%(体积分数)时，复合材料具有良好的综合性能，其导热系数达到1.05W/(m•K)。

2.2氮化物填料氮化物具有很多优良的性能，如导热性、电绝缘性、介电性、耐高温性、高熔点、高化学稳定性等，基于上述性能，许多研究者将氮化物填加到高分子基体中，以提高复合材料的导热性能。李明辉等[7]将AlN、BN分别添加到PA6中，研究了AlN和BN的引入对PA6导热性能的影响。研究结果显示，复合材料的导热系数随着AlN或BN添加量的增加而增大；当两种填料的添加量相同时，所制复合材料的导热性能相差不大；当填料添加量为60%时，两种复合材料的导热系数均提高至1.0W/(m•K)左右。潘世濠等[8]研究了AlN的添加量及粒径对PA6/AlN复合材料导热性能和力学性能的影响。研究结果表明，AlN粒径的变化会使基体材料与填料AlN之间的接触面积，以及AlN粒子之间相互接触的面积和状态发生改变，从而改变复合材料的综合性能。随着AlN粒径的增大，PA6/AlN复合材料的导热系数先升高而后逐渐降低，其中在AlN粒径为3μm、添加量为50%时，复合材料的综合性能达到最佳，其导热系数达到1.1W/(m•K)左右，同时具有良好的力学性能。

2.3碳化物填料碳化物具有优良的导热性、耐高温性，因此常被添加到高分子材料中，以提高材料的导热性及热稳定性，从而扩宽高分子材料的应用范围。步真松[9]研究了4种不同粒径的SiC颗粒对PA6导热性能的影响。研究发现，当SiC粒径为微米级且填充量小于30%时，随着SiC粒径的减小，复合材料的导热系数逐渐提高，但提升幅度不大。当SiC粒径一定时，随着SiC填充量的增加，复合材料的导热系数逐渐增大，其中当SiC的粒径为50µm、添加量为60%时，复合材料的导热系数达到1.5W/(m•K)左右；当采用纳米级SiC填充PA6后，由于SiC的粒径极小，使基体中SiC粒子相互接触以进行热量传递的接触面积减小，造成复合材料中的导热网络相对较少，导致该复合材料的导热性能低于微米级SiC填充复合材料。刘经港[10]将SiC加入到PA6中，探究了SiC的添加量对PA6/SiC复合材料导热性能的影响。研究发现，随着SiC质量分数的增加，复合材料的导热系数逐渐增大，其中当SiC的质量分数为60%时，复合材料的导热系达到1.1W/(m•K)，而当SiC的质量分数高于60%时，复合材料的导热性能虽有所提高，但其加工性能及力学性能显著下降。

2.4碳系填料碳系填料具有很多优越的性能，如高导热、导电性能，卓越的耐高温、耐摩擦性能以及较低的密度等，常被作为导热填料填充到高分子基体中，以提高材料的导热性能及耐高温性能。吴惠民[11]将石墨烯和Al2O3复合添加到PA6中，研究了配比对PA6/石墨烯/Al2O3复合材料性能的影响。研究表明，当PA6/石墨烯/Al2O3复合材料的配比为100/15/35时，复合材料的导热性能、力学性能达到最佳，其导热系数达到2.14W/(m•K)。朱帅甫[12]将碳纤维、碳纳米管、石墨、MgO等填料添加PA6基体中，制备了多种导热复合材料。研究表明，单一填料填充时，其粒径越大、填充量越高，复合材料的导热性能越好；不同粒径的填料复配后，其对复合材料的导热和增强效果优于单一粒径的填料。将镀镍碳纳米管和退浆碳纤维混杂填充，当填充量为25%时，复合材料的导热系数可达1.42W/(m•K)，同时具有良好的力学性能。郝喜东[13]将石墨填充到PA6基体中，通过熔融共混制备了PA6/石墨复合材料。研究发现，复合材料的导热性能、弯曲性能、拉伸性能均随石墨添加量的增加而逐渐提升，其中当石墨(300目)的添加量为50%时，复合材料的导热系数达到2.38W/(m•K)，其综合性能达到最佳；此外，将不同粒径的石墨复配后进行填充，可使复合材料的综合性能得到提高。周海堤等[14]将3种不同粒径的石墨两两组合后加入到PA6基体中，固定填料添加量，研究不同粒径石墨的配比对PA6/石墨复合材料导热性能和力学性能的影响。结果表明，采用不同粒径石墨的复配填料填充后，复合材料的导热性能优于单独一种石墨填充的复合材料，其中当两种石墨的粒径比为

2.4时，复合材料的最大导热系数达到1.598W/(m•K)；随着粒径比的逐渐增大，复合材料的最大导热系数向小粒径填料低添加量方向偏移。2.5纯金属填料虽然金属通常具有优异的导热性能和力学性能，但因其导电性非常好，故不能直接应用到电子设备上。而将金属材料加入到高分子基体中以改善高分子材料的导热性成为当前的研究热点。张宁等[15]将少量连续铝纤维(质量分数≤10%)添加到PA6基体中，制备了PA6/铝纤维复合材料。研究结果显示，铝纤维不仅使PA6的导热性得到很大提高，还使其力学性能得到了提升，且铝纤维添加量越高、纤维长度越长，复合材料导热系数的提高幅度越大。本课题组探究了铝粉的添加量对PA6/铝粉复合材料导热性能的影响。研究结果显示，当铝粉添加量为50%时，复合材料的导热系数可达0.87W/(m•K)，且材料的综合性能最佳；而继续增大铝粉添加量，对复合材料的导热性能影响不大。

3结语

随着集成电子技术的蓬勃发展，电子设备逐渐向质量轻、小体积方向发展，且集成度越来越高，所产生的热量也逐渐增多，从而带动了导热高分子复合材料相关领域研究的发展，该材料必会在不久的将来得到广泛应用，因此如何改善高分子复合材料的导热性成为研究的重点。虽然许多研究者已进行了大量工作，但目前导热高分子复合材料的开发尚存在诸多问题，最为突出的问题是：当导热填料填充量增加时，虽然复合材料的导热性能有所提高，但其力学性能明显下降，从而影响了材料的应用范围。因此如何解决材料导热性能与力学性能之间的矛盾，将是今后研究工作者的重点研究方向。为提高导热高分子复合材料的综合性能，研究人员应重点从以下方面进行研究：(1)添加导热填料导致基体力学性能降低，主要是因为填料与基体的结合性不佳，通常的解决手段主要是利用偶联剂处理填料，该方法虽然具有一定效果但不太理想，需开发新型表面处理技术，以提高基体树脂对填料表面的润湿效果。(2)目前复合材料的制备主要采用熔融共混法，当填料含量较高时，复合材料的加工性能较差，因此需要开发新的成型方法，一方面解决材料的加工问题，另一方面提高填料的分散性和取向性，使其在较小填充量时，即可形成较多的有效导热网络，从而改善材料的综合性能。(3)混杂填料对提高高分子材料的导热性能明显优于单一填料，需要继续探索混杂效应的影响规律。

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作者：朱文强 张保丰 蒋爱云 罗曼曼 单位：黄河科技学院