怎么“改造”高分子讓它導(dǎo)熱
加填料 → 造出“熱高速公路”
填充型高聚物是在材料的成型加工過(guò)程中，將高導(dǎo)熱粒子與基體進(jìn)行復(fù)合從而得到高熱導(dǎo)率的材料。
其導(dǎo)熱機(jī)理為填料微粒在基體中連接在一起構(gòu)成了導(dǎo)熱通道熱流在傳遞過(guò)程中繞過(guò)具有高熱阻的聚合物基體直接在熱阻小的導(dǎo)熱通路中進(jìn)行傳遞，導(dǎo)熱粒子本身的性能、基體及界面等因素都對(duì)填充型導(dǎo)熱高分子的熱導(dǎo)率有很大影響。
對(duì)于填充型導(dǎo)熱高分子材料來(lái)說(shuō)，其導(dǎo)熱系數(shù)由高分子基體與填料之間共同協(xié)作決定。下圖展示了填料微粒在基體中構(gòu)成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程。
開(kāi)始時(shí)，導(dǎo)熱粒子的含量低，顆粒在基體中大多是獨(dú)立隨機(jī)分布的，相互之間沒(méi)有接觸，這時(shí)熱量在導(dǎo)熱填料與基體中進(jìn)行傳遞。填料粒子的添加量繼續(xù)增多,微粒之間產(chǎn)生接觸部分連接在一起，這時(shí)在材料內(nèi)部會(huì)形成局部的導(dǎo)熱通道。
填料微粒在基體中構(gòu)成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程圖
導(dǎo)熱顆粒的數(shù)目進(jìn)一步增多，多個(gè)局部的導(dǎo)熱通路連接在一起，在基體中構(gòu)成完整的導(dǎo)熱網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這時(shí)，熱流在材料內(nèi)部直接通過(guò)導(dǎo)熱填料形成的連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳遞，材料的熱導(dǎo)率得到大幅度提高。
常見(jiàn)填料：AlN、BN、SiC、石墨烯、碳納米管
分子設(shè)計(jì) → 天生就導(dǎo)熱
本征型導(dǎo)熱聚合物是在材料制備初期，將分子及鏈端重新組合得到更利于導(dǎo)熱的結(jié)構(gòu),提高材料的熱性能。聚合物材料內(nèi)部沒(méi)有自由電子，熱量的傳導(dǎo)過(guò)程是靠聲子傳輸實(shí)現(xiàn)的。
在小分子聚合形成高聚物的過(guò)程中，分子聚合的方向傾向于無(wú)序連接，因此形成的聚合物內(nèi)部分子鏈互相纏繞，沒(méi)有規(guī)整的結(jié)構(gòu)及取向，內(nèi)部結(jié)構(gòu)分散不緊密，無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全結(jié)晶形成晶格結(jié)構(gòu)，熱流傳輸過(guò)程中，材料內(nèi)部的分子鏈振動(dòng)增加了聲子的散射，造成聚合物本身的低熱導(dǎo)率。
在電氣絕緣材料中沒(méi)有自由電子，能量通過(guò)體系內(nèi)部的聲子進(jìn)行傳遞。在溫度較高時(shí)，材料內(nèi)部的聲子碰撞速度增加，碰撞散射加劇導(dǎo)致體系中熱量傳遞減慢。
聲子作為熱能傳遞的載體對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響也與其自身在體系內(nèi)的散亂程度有關(guān)，而散亂程度主要與缺陷和聲子間的碰撞運(yùn)動(dòng)有關(guān)。
有些特殊高分子，主鏈剛性高、結(jié)構(gòu)規(guī)整，比如：
聚對(duì)苯撐苯并噁二唑（PBO），主鏈像筷子一樣筆直，剛性高，分子鏈排列整齊，是導(dǎo)熱高分子的典型代表；
又如一些剛性結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型聚酰亞胺（PI），通過(guò)引入線性對(duì)位芳香環(huán)、酰亞胺剛性單元，使主鏈趨于共面和規(guī)則排列，也能在拉伸或取向后形成有效熱傳通道。
