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氧化鋁在導(dǎo)熱絕緣工業(yè)中的應(yīng)用
類別:行業(yè)新聞 發(fā)布時間:2018-01-05 10:00:55 瀏覽:2931 次
1 填料的導(dǎo)熱機(jī)理
高分子材料本身的熱傳導(dǎo)系數(shù)比較小.所以填充型高分子復(fù)合材料導(dǎo)熱性能主要依賴于填充物的導(dǎo)熱系數(shù)、填充物在基體中的分布以及與基體的相互作用。填料用量較小時。填料雖均勻分散于樹脂中。但彼此間未能形成相互接觸和相互作用,導(dǎo)熱性提高不大;填料用量提高到某一臨界值時,填料間形成接觸和相互作用,體系內(nèi)形成了類似網(wǎng)狀或鏈狀結(jié)構(gòu)形態(tài),即形成導(dǎo)熱網(wǎng)鏈。當(dāng)導(dǎo)熱網(wǎng)鏈的取向與熱流方向一致時,材料導(dǎo)熱性能提高很快;體系中在熱流方向上未形成導(dǎo)熱網(wǎng)鏈時,會造成熱流方向上熱阻很大。導(dǎo)致材料導(dǎo)熱性能很差。制造具有優(yōu)良綜合性能的導(dǎo)熱材料一般有兩種途徑:一種是合成具有高熱導(dǎo)率的結(jié)構(gòu)聚合物;另一種是在聚合物中填充高導(dǎo)熱性的填料。后者比較常見。一般都是用高導(dǎo)熱性的金屬或無機(jī)填料對高分子材料進(jìn)行填充。氧化鋁通常作為填料應(yīng)用于絕緣導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料。
2 氧化鋁的形態(tài)及表面處理
2.1 氧化鋁作為導(dǎo)熱絕緣材料的特點(diǎn)
具有導(dǎo)熱電絕緣性能的填料很少.常見的幾種及其熱導(dǎo)率分別見表1。實(shí)驗(yàn)研究證明,當(dāng)填料與基體熱導(dǎo)率之比大于100時。提高填料導(dǎo)熱系數(shù)已意義不大。這就意味著應(yīng)用電絕緣填料如AlzO3,、MgO、BeO、A1N等可制備具有較高導(dǎo)熱性能的電絕緣復(fù)合材料。與其他填料相比,氧化鋁,的導(dǎo)熱率不高,但是其價格較低,來源較廣,填充量較大,常用作絕緣導(dǎo)熱聚合物的填料。氧化鋁,通常單獨(dú)使用或與其他填料昆合使用。
3 氧化鋁在導(dǎo)熱絕緣材料中的應(yīng)用
氧化鋁常用作絕緣導(dǎo)熱聚合物的填料,廣泛應(yīng)用于導(dǎo)熱塑料、導(dǎo)熱橡膠、導(dǎo)熱粘合劑、導(dǎo)熱涂料。
3.1 導(dǎo)熱塑料
麥堪成等研究表明加人氧化鋁使聚丙烯(PP)的導(dǎo)熱系數(shù)提高,且AlzO3/PP復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨氧化鋁用量增加而提高。加入第3組分Cu、ZnO、A1和石墨,進(jìn)一步提高氧化鋁復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。用接枝PP作為基體的復(fù)合材料導(dǎo)熱性能比PP的高,但接枝PP與PP共混物作為基體的復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)反而低于PP的導(dǎo)熱數(shù)。
3.2 導(dǎo)熱橡膠
汪倩等人研究了氧化鋁、SiC兩類導(dǎo)熱填料以及填料的粒徑分布對室溫硫化硅橡膠和硅酯的導(dǎo)熱性能和粘度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)選用不同粒徑的SiC和氧化鋁,導(dǎo)熱填料對體系填充可得到高導(dǎo)熱性室溫硫化硅橡膠和硅酯,且工藝性能良好。潘大海等以聚二甲基硅氧烷為基礎(chǔ)膠,以氮化硅、氮化鋁和氧化鋁,為導(dǎo)熱填料,制備了填充型雙組分室溫硫化(RTV一2)導(dǎo)熱硅橡膠。研究了填料氮化硅/氧化鋁或氮化鋁/氧化鋁并用對RTV一2硅橡膠導(dǎo)熱性能、加工性能及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,當(dāng)填料的總體積分?jǐn)?shù)為45%時 對于氮化硅/氧化鋁填充體系,隨著體系中氧化鋁體積分?jǐn)?shù)的增加,RTV一2導(dǎo)熱硅橡膠的熱導(dǎo)率先升后降,拉伸強(qiáng)度先增后減,而斷裂伸長率則呈逐漸升高的趨勢,基料的黏度先減后增。Wang等用不同粒徑的A120,與SiC并用,在室溫下填充硅橡膠,填料總量為55份時,混煉膠具有較低的黏度,硫化后硅橡膠的熱導(dǎo)率為1.48 W/(m·K)。另外,加大填料的用量且控制其粒徑分布.可制得熱導(dǎo)率為2 W/(m-K)的室溫硫化硅橡膠。
唐明明021在研究中發(fā)現(xiàn)隨著微米氧化鋁填充份數(shù)的增加,SBR的熱導(dǎo)率增大,但其加工性能和物理力學(xué)性能下降;用硅烷偶聯(lián)劑KH一570,KH一550,A一151和鈦酸酯偶聯(lián)劑TM—S105處理后的微米A1 0,填充劑對導(dǎo)熱橡膠的導(dǎo)熱性能的影響不顯著;在相同填充量下,采用納米A1203 填充比用微米Al203,填充的導(dǎo)熱橡膠具有更好導(dǎo)熱性能和物理力學(xué)性能;在合適的比例下,納米氧化鋁與微米氧化鋁混合填充的導(dǎo)熱橡膠其導(dǎo)熱效果優(yōu)于單純使用微米粒子填充的橡膠。張立群[131等人系統(tǒng)研究了不銹鋼短纖維、片狀石墨、短碳纖維、鋁粉、Al20,粉等5種導(dǎo)熱填料對天然橡膠(NR1為基質(zhì)的復(fù)合材料的靜態(tài)導(dǎo)熱性能、動態(tài)溫升、物理力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明氧化鋁可以明顯提高NR的靜態(tài)導(dǎo)熱系數(shù),并且用量越高,導(dǎo)熱系數(shù)越大。氧化鋁填充的NR動態(tài)溫升仍高于對比膠料,且實(shí)驗(yàn)時間越長.溫升越高。
3-3 導(dǎo)熱絕緣涂料
周文英l以環(huán)氧改性有機(jī)硅樹脂為基體,氮化硅、氧化鋁混合填料為導(dǎo)熱粒子制備了導(dǎo)熱絕緣涂料。在4O%總填料用量及氧化鋁占總用量的2O%時,涂層獲得最大熱導(dǎo)率1.25 W/(m·K),此用量下拉仲性能及斷裂延伸率下降,室溫附著力達(dá)572.2 N/cm .涂層介電常數(shù)5.7.體積和表面電阻率分別為3x10 Q·cm和4.3x10 Q,涂層可長期在200℃下使用,顯示出良好的電絕緣性。與不使用導(dǎo)熱填料的環(huán)氧改性有機(jī)硅樹脂涂層相比具有較高的傳熱能力。
3.4 絕緣導(dǎo)熱膠粘劑
張曉輝等分別用SiC、A1N、A1 0 填充環(huán)氧膠粘劑.發(fā)現(xiàn)填料份數(shù)存在一臨界點(diǎn),將臨界點(diǎn)歸因于材料內(nèi)部有效導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的建立。由于SiC價格低,熱導(dǎo)率高,填充份數(shù)為53.9%時,熱導(dǎo)率為4.234 W/(m·K),力學(xué)性能較好。王鐵如等將Al203、BN加入到環(huán)氧樹脂中制成導(dǎo)熱絕緣膠。章文捷等研究了A1 0,、A1N混合填充的有機(jī)硅灌封料,制得了熱導(dǎo)率達(dá)O.89 W/(m·K)的灌封料。周文等以增韌的酚醛環(huán)氧樹脂為基體樹脂.以1:4:3質(zhì)量比組成的A1N、B4C、A120 混雜粒子為導(dǎo)熱填料,制備了一新型絕緣導(dǎo)熱膠粘劑。發(fā)現(xiàn)填料用量為40%時膠粘劑的熱導(dǎo)率為0.99 W/(m·K).熱阻為O.7O℃/W,介電常數(shù)6,體積電阻率4.6×1O Q·cm,擊穿電壓達(dá)12 kV/mm,20 ℃,200℃.250 ℃下的剪切強(qiáng)度分別為13.0 MPa.10.0 MPa.5.65 MPa。研究結(jié)果表明該膠具備良好的電絕緣及力學(xué)性能,可以長期在150 oc下使用,與不加導(dǎo)熱填料的相同膠粘劑相比,具有良好的導(dǎo)熱能力。譚茂林用氧化鋁,填充有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂測得100 ℃時的導(dǎo)熱系數(shù)為O.64 W/(m.K)
4 結(jié)語
氧化鋁常用作絕緣導(dǎo)熱聚合物的填料,廣泛應(yīng)用于導(dǎo)熱塑料、導(dǎo)熱橡膠、導(dǎo)熱粘合劑、導(dǎo)熱涂料.但納米氧化鋁的應(yīng)用報道不多。唐明明發(fā)現(xiàn)在相同填充量下,采用納米氧化鋁,填充比用微米氧化鋁,填充的導(dǎo)熱橡膠具有更好導(dǎo)熱性能和物理力學(xué)性能。隨著納米復(fù)合技術(shù)的發(fā)展,可以預(yù)見納米氧化鋁,的研究、納米氧化鋁與聚合物基體復(fù)合新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用等將成為今后的研究方向。
高分子材料本身的熱傳導(dǎo)系數(shù)比較小.所以填充型高分子復(fù)合材料導(dǎo)熱性能主要依賴于填充物的導(dǎo)熱系數(shù)、填充物在基體中的分布以及與基體的相互作用。填料用量較小時。填料雖均勻分散于樹脂中。但彼此間未能形成相互接觸和相互作用,導(dǎo)熱性提高不大;填料用量提高到某一臨界值時,填料間形成接觸和相互作用,體系內(nèi)形成了類似網(wǎng)狀或鏈狀結(jié)構(gòu)形態(tài),即形成導(dǎo)熱網(wǎng)鏈。當(dāng)導(dǎo)熱網(wǎng)鏈的取向與熱流方向一致時,材料導(dǎo)熱性能提高很快;體系中在熱流方向上未形成導(dǎo)熱網(wǎng)鏈時,會造成熱流方向上熱阻很大。導(dǎo)致材料導(dǎo)熱性能很差。制造具有優(yōu)良綜合性能的導(dǎo)熱材料一般有兩種途徑:一種是合成具有高熱導(dǎo)率的結(jié)構(gòu)聚合物;另一種是在聚合物中填充高導(dǎo)熱性的填料。后者比較常見。一般都是用高導(dǎo)熱性的金屬或無機(jī)填料對高分子材料進(jìn)行填充。氧化鋁通常作為填料應(yīng)用于絕緣導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料。
2 氧化鋁的形態(tài)及表面處理
2.1 氧化鋁作為導(dǎo)熱絕緣材料的特點(diǎn)
具有導(dǎo)熱電絕緣性能的填料很少.常見的幾種及其熱導(dǎo)率分別見表1。實(shí)驗(yàn)研究證明,當(dāng)填料與基體熱導(dǎo)率之比大于100時。提高填料導(dǎo)熱系數(shù)已意義不大。這就意味著應(yīng)用電絕緣填料如AlzO3,、MgO、BeO、A1N等可制備具有較高導(dǎo)熱性能的電絕緣復(fù)合材料。與其他填料相比,氧化鋁,的導(dǎo)熱率不高,但是其價格較低,來源較廣,填充量較大,常用作絕緣導(dǎo)熱聚合物的填料。氧化鋁,通常單獨(dú)使用或與其他填料昆合使用。
3 氧化鋁在導(dǎo)熱絕緣材料中的應(yīng)用
氧化鋁常用作絕緣導(dǎo)熱聚合物的填料,廣泛應(yīng)用于導(dǎo)熱塑料、導(dǎo)熱橡膠、導(dǎo)熱粘合劑、導(dǎo)熱涂料。
3.1 導(dǎo)熱塑料
麥堪成等研究表明加人氧化鋁使聚丙烯(PP)的導(dǎo)熱系數(shù)提高,且AlzO3/PP復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨氧化鋁用量增加而提高。加入第3組分Cu、ZnO、A1和石墨,進(jìn)一步提高氧化鋁復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。用接枝PP作為基體的復(fù)合材料導(dǎo)熱性能比PP的高,但接枝PP與PP共混物作為基體的復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)反而低于PP的導(dǎo)熱數(shù)。
3.2 導(dǎo)熱橡膠
汪倩等人研究了氧化鋁、SiC兩類導(dǎo)熱填料以及填料的粒徑分布對室溫硫化硅橡膠和硅酯的導(dǎo)熱性能和粘度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)選用不同粒徑的SiC和氧化鋁,導(dǎo)熱填料對體系填充可得到高導(dǎo)熱性室溫硫化硅橡膠和硅酯,且工藝性能良好。潘大海等以聚二甲基硅氧烷為基礎(chǔ)膠,以氮化硅、氮化鋁和氧化鋁,為導(dǎo)熱填料,制備了填充型雙組分室溫硫化(RTV一2)導(dǎo)熱硅橡膠。研究了填料氮化硅/氧化鋁或氮化鋁/氧化鋁并用對RTV一2硅橡膠導(dǎo)熱性能、加工性能及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,當(dāng)填料的總體積分?jǐn)?shù)為45%時 對于氮化硅/氧化鋁填充體系,隨著體系中氧化鋁體積分?jǐn)?shù)的增加,RTV一2導(dǎo)熱硅橡膠的熱導(dǎo)率先升后降,拉伸強(qiáng)度先增后減,而斷裂伸長率則呈逐漸升高的趨勢,基料的黏度先減后增。Wang等用不同粒徑的A120,與SiC并用,在室溫下填充硅橡膠,填料總量為55份時,混煉膠具有較低的黏度,硫化后硅橡膠的熱導(dǎo)率為1.48 W/(m·K)。另外,加大填料的用量且控制其粒徑分布.可制得熱導(dǎo)率為2 W/(m-K)的室溫硫化硅橡膠。
唐明明021在研究中發(fā)現(xiàn)隨著微米氧化鋁填充份數(shù)的增加,SBR的熱導(dǎo)率增大,但其加工性能和物理力學(xué)性能下降;用硅烷偶聯(lián)劑KH一570,KH一550,A一151和鈦酸酯偶聯(lián)劑TM—S105處理后的微米A1 0,填充劑對導(dǎo)熱橡膠的導(dǎo)熱性能的影響不顯著;在相同填充量下,采用納米A1203 填充比用微米Al203,填充的導(dǎo)熱橡膠具有更好導(dǎo)熱性能和物理力學(xué)性能;在合適的比例下,納米氧化鋁與微米氧化鋁混合填充的導(dǎo)熱橡膠其導(dǎo)熱效果優(yōu)于單純使用微米粒子填充的橡膠。張立群[131等人系統(tǒng)研究了不銹鋼短纖維、片狀石墨、短碳纖維、鋁粉、Al20,粉等5種導(dǎo)熱填料對天然橡膠(NR1為基質(zhì)的復(fù)合材料的靜態(tài)導(dǎo)熱性能、動態(tài)溫升、物理力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明氧化鋁可以明顯提高NR的靜態(tài)導(dǎo)熱系數(shù),并且用量越高,導(dǎo)熱系數(shù)越大。氧化鋁填充的NR動態(tài)溫升仍高于對比膠料,且實(shí)驗(yàn)時間越長.溫升越高。
3-3 導(dǎo)熱絕緣涂料
周文英l以環(huán)氧改性有機(jī)硅樹脂為基體,氮化硅、氧化鋁混合填料為導(dǎo)熱粒子制備了導(dǎo)熱絕緣涂料。在4O%總填料用量及氧化鋁占總用量的2O%時,涂層獲得最大熱導(dǎo)率1.25 W/(m·K),此用量下拉仲性能及斷裂延伸率下降,室溫附著力達(dá)572.2 N/cm .涂層介電常數(shù)5.7.體積和表面電阻率分別為3x10 Q·cm和4.3x10 Q,涂層可長期在200℃下使用,顯示出良好的電絕緣性。與不使用導(dǎo)熱填料的環(huán)氧改性有機(jī)硅樹脂涂層相比具有較高的傳熱能力。
3.4 絕緣導(dǎo)熱膠粘劑
張曉輝等分別用SiC、A1N、A1 0 填充環(huán)氧膠粘劑.發(fā)現(xiàn)填料份數(shù)存在一臨界點(diǎn),將臨界點(diǎn)歸因于材料內(nèi)部有效導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的建立。由于SiC價格低,熱導(dǎo)率高,填充份數(shù)為53.9%時,熱導(dǎo)率為4.234 W/(m·K),力學(xué)性能較好。王鐵如等將Al203、BN加入到環(huán)氧樹脂中制成導(dǎo)熱絕緣膠。章文捷等研究了A1 0,、A1N混合填充的有機(jī)硅灌封料,制得了熱導(dǎo)率達(dá)O.89 W/(m·K)的灌封料。周文等以增韌的酚醛環(huán)氧樹脂為基體樹脂.以1:4:3質(zhì)量比組成的A1N、B4C、A120 混雜粒子為導(dǎo)熱填料,制備了一新型絕緣導(dǎo)熱膠粘劑。發(fā)現(xiàn)填料用量為40%時膠粘劑的熱導(dǎo)率為0.99 W/(m·K).熱阻為O.7O℃/W,介電常數(shù)6,體積電阻率4.6×1O Q·cm,擊穿電壓達(dá)12 kV/mm,20 ℃,200℃.250 ℃下的剪切強(qiáng)度分別為13.0 MPa.10.0 MPa.5.65 MPa。研究結(jié)果表明該膠具備良好的電絕緣及力學(xué)性能,可以長期在150 oc下使用,與不加導(dǎo)熱填料的相同膠粘劑相比,具有良好的導(dǎo)熱能力。譚茂林用氧化鋁,填充有機(jī)硅改性環(huán)氧樹脂測得100 ℃時的導(dǎo)熱系數(shù)為O.64 W/(m.K)
4 結(jié)語
氧化鋁常用作絕緣導(dǎo)熱聚合物的填料,廣泛應(yīng)用于導(dǎo)熱塑料、導(dǎo)熱橡膠、導(dǎo)熱粘合劑、導(dǎo)熱涂料.但納米氧化鋁的應(yīng)用報道不多。唐明明發(fā)現(xiàn)在相同填充量下,采用納米氧化鋁,填充比用微米氧化鋁,填充的導(dǎo)熱橡膠具有更好導(dǎo)熱性能和物理力學(xué)性能。隨著納米復(fù)合技術(shù)的發(fā)展,可以預(yù)見納米氧化鋁,的研究、納米氧化鋁與聚合物基體復(fù)合新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用等將成為今后的研究方向。