导热复合材料的应用

从材料发展的历史来看，推动复合材料发展的关键是在于其本身具有卓越的强度、刚度和低密度，由于复合材料这些性能，使其在结构和承力系统上取得很大成功，从而被广泛应用。但是，大多数结构聚合物基复合材料(PMCs)具有较低的导热性，它们中的很多都被视作热绝缘体。目前聚合物基复合材料(PMCs)、金属基复合材料(MMCs)、陶瓷基复合材料(CMCs)和碳基复合材料(CAMCs)等都可以作为导热材料，在许多场合的应用无需局限于某一类复合材料，而应综合考虑导热材料的应用场合下对材料的性能要求。

为了满足微电子、电机电器、航天航空及军事装备等诸多制造业和高科技领域的发展需求，制备具有优良综合性能的高导热聚合物绝缘材料，已经成为一个研究热点的研究方向。

1、工业及商业应用

注射成型工艺生产了不计其数的商业化部件，其中包含了大量的商品和工程树脂，包括聚丙烯、ABS、聚碳酸酯、尼龙、聚苯硫醚、液晶聚合物、聚硫砜和聚醚醚酮。聚合物的材料大多数有个弱点，就是导热性能差。

在塑料工业中导热塑料最大和最重要的应用是替代金属和金属合金制造热交换器。它可以代替金属应用于需要良好导热性和优良耐腐蚀性能的环境，如换热器、太阳能热水器、蓄电池的冷却器等。电子电器工业也是应用导热塑料较多的一个领域，主要用来制造要求较高的导热电路板。

第一，合成具有高导热系数的结构聚合物，如具有良好导热性能的聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯等，主要通过电子导热机制实现导热，或具有完整结晶性，通过声子实现导热的聚合物；第二，通过高导热无机物对聚合物进行填充，制备聚合物/无机物导热复合材料，用于填充例子种类可分为：金属、金属氧化物、金属氮化物、无机非金属、纤维填充物等。

在填料配方确认后，决定复合材料导热性的另一主要因素就是复合材料的加工工艺。根据目前导热理论研究成果认为，导热高分子材料的最终导热性能取决于填料在基体中的分布情况，使填料在基体中局部有序排列形成有效的导热通道可以有效提高复合材料的导热性能。

2、微电子和光电热控制

散热和热应力在许多微电子和光电封装应用中的关键问题。微电子包括微处理器、功率半导体、应用特殊集成电路(ASICs)和RF设备，光电应用包括激光二极管、发光二极管、液晶和等离子显示屏、光电装置和探测器。众多数据表明热控制在微处理器中至关重要。

用于电子和光电热控封装材料的关键要求：①高导热性；②尽可能减小热膨胀系数失配导致的局部应力对性能可靠性的影响。③使用中易遭受冲击振动的应用是另一个重要的考虑。例如，商业电子设备一般需要满足50g的冲击负荷，因此还需考虑复合材料的机械性能。

例如陶瓷和半导体的热膨胀系数范围是2-7ppm/K。铜有较高的导热能力，但它的CTE为17ppm/K，会引起热应力相关的问题，如焊接接头破坏和变形。采用材料复合的方式可获取满足封装材料所需占比指标，以保证器件的可靠性。

3、航空航天/国防应用

航空航天的材料通常需要轻量化及高性能化，碳/碳复合材料是具有特殊性能的新型超高温材料，既有纤维增强复合材料优良的力学性能，又有碳材料优异的高温性能，特别是高温下优异的热物理性能。碳/碳复合材料在2000℃的高温下不会熔化，不会发生粘结现象，也没有明显的翘曲变形，导热性能好，比热容大，热膨胀系数小。

碳/碳复合材料独特的性能能够满足高负荷飞机刹车时的苛刻要求，所以被广泛地用于飞机刹车材料。在飞机刹车制动的过程中产生大量的热，碳/碳复合材料高导热性能有助于加快热量从接触界面扩散的速度，降低摩擦面温度，改善摩擦磨损性能，吸收和传递大量的热能，从而延长了刹车材料的使用寿命。

同时碳/碳复合材料可作为超高温热防护材料，宇宙飞船或导弹重返大气层时由于气动加热产生高温，因此必须研究材料的导热性能，以导热系数为代表的热物性参数是超高温热防护材料设计中不可缺少的数据。