導(dǎo)熱填料顧名思義就是添加在基體材料中用來增加材料導(dǎo)熱系數(shù)的填料,常用的導(dǎo)熱填料有氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、氮化鋁、氮化硼、碳化硅等;其中,尤以微米級氧化鋁、硅微粉為主體,納米氧化鋁,氮化物做為高導(dǎo)熱領(lǐng)域的填充粉體;而氧化鋅大多做為導(dǎo)熱膏(導(dǎo)熱硅脂)填料用。
而用在航空、航天、LED、精密電子儀器等特殊領(lǐng)域的高導(dǎo)熱填料有纖維狀高導(dǎo)熱碳粉、鱗片狀高導(dǎo)熱碳粉、高導(dǎo)熱布等。
一、導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)列表:
材料名稱 導(dǎo)熱系數(shù)K(w/m.k)
纖維狀碳粉 400-700(沿纖維方向)
鱗片狀碳粉 1500-3000(平面層內(nèi)導(dǎo)熱)
氧化鈹(劇毒) 270
氮化鋁 80~320
氮化硼 125 -------有文章寫60K(w/m.k)
碳化硅 83.6 -------有文章寫170~220K(w/m.k)
氧化鎂 36
氧化鋁 30
氧化鋅 26
二氧化硅(結(jié)晶型) 10
注:以上數(shù)據(jù)來自以下3篇論文
1.氧化鋁在導(dǎo)熱絕緣高分子復(fù)合材料中的應(yīng)用,李冰,塑料助劑,2008年第3期,14~16頁
2. 金屬基板用高導(dǎo)熱膠膜的研究,孔凡旺等,廣東生益科技,第十一屆覆銅板市場技術(shù)研討會論文集101~106頁
3. 復(fù)合絕緣導(dǎo)熱膠粘劑的研究,周文英等中國膠粘劑2006年11月第15卷11期,22~25頁
以下部分觀點來自期刊論文,部分觀點來自廣大產(chǎn)品工程師,感謝大家。
1、氮化鋁AlN,優(yōu)點:導(dǎo)熱系數(shù)非常高。缺點:價格昂貴,通常每公斤在千元以上;氮化鋁吸潮后會與水反應(yīng)會水解AlN+3H20=Al(OH)3+NH3 ,水解產(chǎn)生的Al(OH)3會使導(dǎo)熱通路產(chǎn)生中斷,進(jìn)而影響聲子的傳遞,因此做成制品后熱導(dǎo)率偏低。即使用硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行表面處理,也不能保證100%填料表面被包覆。單純使用氮化鋁,雖然可以達(dá)到較高的熱導(dǎo)率,但體系粘度急劇上升,嚴(yán)重限制了產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。
2、氮化硼B(yǎng)N,優(yōu)點:導(dǎo)熱系數(shù)非常高,性質(zhì)穩(wěn)定。缺點:價格很高,市場價從幾百元到上千元(根據(jù)產(chǎn)品品質(zhì)不同差別較大),雖然單純使用氮化硼可以達(dá)到較高的熱導(dǎo)率,但與氮化鋁類似,大量填充后體系粘度急劇上升,嚴(yán)重限制了產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。
聽說有國外廠商有生產(chǎn)球形BN,產(chǎn)品粒徑大,比表面積小,填充率高,不易增粘,價格極高。
3、碳化硅SiC 優(yōu)點:導(dǎo)熱系數(shù)較高。缺點:合成過程中產(chǎn)生的碳及石墨難以去除,導(dǎo)致產(chǎn)品純度較低,電導(dǎo)率高,不適合電子用膠。密度大,在有機(jī)硅類膠中易沉淀分層,影響產(chǎn)品應(yīng)用。環(huán)氧膠中較為適用。
4、氧化鎂MgO 優(yōu)點:價格便宜。缺點:在空氣中易吸潮,增粘性較強(qiáng),不能大量填充;耐酸性差,一般情況下很容易被酸腐蝕,限制了其在酸性環(huán)境下的應(yīng)用。
5、α-氧化鋁(針狀) 優(yōu)點:價格便宜。缺點:添加量低,在液體硅膠中,普通針狀氧化鋁的最大添加量一般為300份左右,所得產(chǎn)品導(dǎo)熱率有限。
6、α-氧化鋁(球形) 優(yōu)點:填充量大,在液體硅膠中,球形氧化鋁最大可添加到600~800份,所得制品導(dǎo)熱率高。 缺點:價格較貴,但低于氮化硼和氮化鋁。
7、氧化鋅ZnO 優(yōu)點:粒徑及均勻性很好,適合生產(chǎn)導(dǎo)熱硅脂。缺點:導(dǎo)熱性偏低,不適合生產(chǎn)高導(dǎo)熱產(chǎn)品;質(zhì)輕,增粘性較強(qiáng),不適合灌封。
8、二氧化硅(結(jié)晶型) 優(yōu)點:密度大,適合灌封;價格低,適合大量填充,降低成本。缺點:導(dǎo)熱性偏低,不適合生產(chǎn)高導(dǎo)熱產(chǎn)品。密度較高,可能產(chǎn)生分層。
9、纖維狀高導(dǎo)熱碳粉 優(yōu)點:導(dǎo)熱系數(shù)極高,沿纖維方向的導(dǎo)熱率是銅的2-3倍,最高可達(dá)到700w/mk,同時具有良好的機(jī)械性能和優(yōu)異的導(dǎo)熱及輻射散熱能力,并且可設(shè)計導(dǎo)熱取向;缺點:價格昂貴,并且不易與塑料混合。
10、鱗片狀高導(dǎo)熱碳粉 優(yōu)點:導(dǎo)熱系數(shù)高,粒徑在納米級,填充率高;缺點:堆積密度大,不易加工,價格昂貴(但低于纖維狀高導(dǎo)熱碳粉)。
綜上,不同填料有各自特點,選擇填料時應(yīng)充分利用各填料的優(yōu)點,采用幾種填料進(jìn)行混合使用,發(fā)揮協(xié)同作用,既能達(dá)到較高的熱導(dǎo)率,又能有效的降低成本,同時保障填料與基體材料的混溶性。
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除了金屬之外,耐高溫,傳熱好的大部分是石英,石墨,三氧化二鋁,氧化鋯等;常見1000度以上加熱器,坩堝等大部分都是這幾種材料制作。不知道你究竟是用來做什么用途。
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介紹了填充型高導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料中填料的研究現(xiàn)狀,重點介紹了填料的種類、外形、粒徑和表面處理等因素對復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響,展望了導(dǎo)熱高分子復(fù)合材料中填料的研究趨勢。
國產(chǎn)鋁基板絕緣層
國產(chǎn)鋁基板絕緣層基本上都使用了商品化的FR-4 半固化片(1080)(導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.3/m-K),該絕緣層之中沒有添加任何的導(dǎo)熱填料,因此,這種鋁基板的熱傳導(dǎo)性能較差,不具備高強(qiáng)度的電氣絕緣性能。國內(nèi)在鋁基板所用導(dǎo)熱填料的選型,導(dǎo)熱填料的預(yù)處理,導(dǎo)熱填料和改性環(huán)氧樹脂的配方研究,以及如何保證導(dǎo)熱填料均勻的分布于絕緣層之中,尚沒有進(jìn)入實質(zhì)性研究階段。鋁基板絕緣層如果沒有添加合適的導(dǎo)熱填料,而環(huán)氧樹脂的熱傳導(dǎo)性又很差,顯而易見整個鋁基板的熱傳導(dǎo)能力就非常有限了。
是一種RTV導(dǎo)熱硅橡膠組合物,包含A兩端具有可水解基團(tuán)的有機(jī)聚硅氧烷,B在一端具有至少一個可水解基團(tuán)的有機(jī)聚硅氧烷,C導(dǎo)熱填料,和D具有可水解基團(tuán)的有機(jī)硅化合物或其部分水解縮合物。該組合物即使填充大量導(dǎo)熱填料C,粘度也只經(jīng)歷最輕微的增加,具有很好的灌注、涂覆和密封性能,適合用于單組分形式。
參看圖1,示出了《有機(jī)硅導(dǎo)熱貼片連續(xù)成型方法》的有機(jī)硅導(dǎo)熱貼片連續(xù)成型方法一個實施方式的流程,有機(jī)硅導(dǎo)熱組合物漿料包含導(dǎo)熱填料、乙烯基硅油、催化劑和固化劑,催化劑為氯鉑酸的醇溶液,固化劑為含氫硅油,還可包含其他助劑如抑制劑、增粘劑、軟化劑等。
具體包括下列依次進(jìn)行的步驟:
a、將導(dǎo)熱填料、乙烯基硅油和其他助劑混合均勻,研磨制得初漿;
b、將初漿中加入催化劑于真空條件下混合均勻;
c、加入固化劑于真空條件下混合均勻即得有機(jī)硅導(dǎo)熱組合物漿料;
d、使制得的漿料覆上、下襯膜,同時輥壓成型片材,片材經(jīng)牽引往前輸送;
e、片材輸送至烘道的平履帶上繼續(xù)往前輸送,同時在烘道中加熱固化;
f、冷卻從烘道中輸出經(jīng)固化的片材,裁切成所需規(guī)格的導(dǎo)熱貼片。
步驟a、b、c中物料的混合優(yōu)選適用高粘度物料混合的強(qiáng)力混合機(jī),例如可以是行星攪拌機(jī)、雙螺桿混煉機(jī)等,研磨優(yōu)選采用三輥研磨機(jī)。真空條件是指混合過程中抽真空,優(yōu)選真空度0.07兆帕以上,以充分排除夾在料中的空氣和易揮發(fā)成分。
步驟d采用片材成型機(jī)完成,片材成型機(jī)的結(jié)構(gòu)參看圖2、圖3、圖4、圖5,片材成型機(jī)包括機(jī)架17、設(shè)置在機(jī)架17上的一對輥筒和帶動輥筒以相同的轉(zhuǎn)速異向旋轉(zhuǎn)的第一驅(qū)動部件,第一驅(qū)動部件包括電機(jī)16和與電機(jī)16連接的減速傳動部件,減速傳動部件與輥筒的軸連接,輥筒包括設(shè)置在下部的下成型輥4和設(shè)置在下成型輥4正上方的上成型輥3,兩個輥筒均為主動輥。在上成型輥3兩端的軸頸上分別設(shè)置有能使上成型輥3上下移動以調(diào)節(jié)上成型輥3與下成型輥4輥筒間隙的輥間隙調(diào)節(jié)裝置8,也可在下成型輥4兩端軸頸設(shè)置這樣的調(diào)節(jié)裝置。輥間隙調(diào)節(jié)裝置8常用的可以采用絲桿手動調(diào)節(jié)的方式,也可采用電機(jī)帶動的電動調(diào)節(jié)方式,通過調(diào)整輥筒間隙可以調(diào)節(jié)片材19的厚度。上成型輥3和下成型輥4彼此向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的一側(cè)為進(jìn)料側(cè)、彼此向外旋轉(zhuǎn)的一側(cè)為片材輸出側(cè)。片材成型機(jī)還包括:設(shè)置在進(jìn)料側(cè)的承料平板7,承料平板7的上表面與下成型輥4的上部水平切平面基本上在同一平面,兩個平面的垂直距離不大于10毫米,也就是承料平板7的上表面可以略高于或略低于下成型輥4的上部水平切平面,不必嚴(yán)格的一致。承料平板7的前端貼近下成型輥4表面,其前端面與下成型輥4表面的間隙大于等于0.5毫米以防與輥面相接觸損傷輥面,同時間隙太寬不利于片材成型,要求小于等于50毫米。在上成型輥3的上方設(shè)置有第一放卷輥1,在第一放卷輥1與上成型輥3之間設(shè)置有第一導(dǎo)輥2,用于上襯膜(一般為經(jīng)有機(jī)硅隔離劑處理的聚酯膜)的放卷,第一放卷輥1的軸上裝有張力調(diào)節(jié)裝置以用于調(diào)節(jié)膜的松緊,使上襯膜平整地經(jīng)第一導(dǎo)輥2進(jìn)入上成型輥3和下成型輥4之間。第一導(dǎo)輥2可以根據(jù)需要設(shè)置一根或多根,圖2示出為兩根。在下成型輥4下方設(shè)置有第二放卷輥14,在承料平板7后端的后面設(shè)置有第二導(dǎo)輥6,第二導(dǎo)輥6同樣可以為一根或多根,設(shè)置多根時可以水平排列,也可上下交叉排列,圖3示出為三根水平排列的第二導(dǎo)輥6,第二導(dǎo)輥6的上部水平切平面與承料平板7的上表面基本一致,也即基本在同一水平面。第二放卷輥14用于下襯膜(同樣一般為經(jīng)有機(jī)硅隔離劑處理的聚酯膜)的放卷,第二放卷輥14的軸上也設(shè)置有張力調(diào)節(jié)裝置,使下襯膜平整地經(jīng)第二導(dǎo)輥6后平貼在承料平板7上進(jìn)入下成型輥4和上成型輥3之間。片材成型機(jī)還包括第二驅(qū)動部件、設(shè)置在片材輸出側(cè)的上牽引輥10和設(shè)置于上牽引輥10正下方的下牽引輥11,下牽引輥11的上部水平切平面和下成型輥4的上部水平切平面基本一致,也即基本在同一水平面,第二驅(qū)動部件帶動上牽引輥10和下牽引輥11同速異向旋轉(zhuǎn)從而將片材19往前輸送。上牽引輥10兩端的軸頸上分別設(shè)置有牽引松緊調(diào)節(jié)裝置9,用于調(diào)整牽引輥對片材19的壓力以適應(yīng)不同厚度片材的需要,而且可以通過調(diào)整牽引輥兩邊壓力使片材平衡輸出不起皺。在下牽引輥11前方還設(shè)置有托輥18,托輥18和下牽引輥11的上部水平切平面基本一致,可以對輸出的片材19形成較好的支撐以防變形,托輥18可以為多根。
成型時,第一放卷輥1放出上襯膜經(jīng)第一導(dǎo)輥2后進(jìn)入上成型輥3和下成型輥4之間的輥壓區(qū),第二放卷輥14放出下襯膜經(jīng)第二導(dǎo)輥6后貼著承料平板7的上表面進(jìn)入輥壓區(qū),將有機(jī)硅導(dǎo)熱組合物漿料施加于承料平板7上的下襯膜上,開啟上成型輥3、下成型輥4轉(zhuǎn)動并調(diào)整好輥筒間隙,厚度均勻的片材19就從另一側(cè)輸出,由上牽引輥10、下牽引輥11牽引經(jīng)托輥18后進(jìn)入烘道固化。
為了使承料平板7的前端更好地貼近下成型輥4,其前端面形狀設(shè)計成與所貼近位置的下成型輥4表面形狀相一致。承料平板7的寬度大于或等于上成型輥3和下成型輥4的工作面寬度,可以用于成型較大寬度的片材。為了防止有機(jī)硅導(dǎo)熱組合物漿料從兩邊擠出及控制片材寬度一致,在進(jìn)料側(cè)左右兩邊還設(shè)置有一對相互平行的擋料板5,擋料板5底面置于承料平板7上表面上,擋料板5前端貼近上成型輥3且其前端面形狀與所貼近位置的上成型輥3的表面形狀相一致。為了方便調(diào)整擋料板5之間的距離,在機(jī)架17上部設(shè)置有導(dǎo)桿,導(dǎo)桿位于承料平板7的上方,擋料板5樞裝在導(dǎo)桿上并用螺釘固緊,松開螺釘,擋料板5可左右地移動以調(diào)節(jié)兩塊擋料板5相互間的距離。
為了可以用于夾有中間加強(qiáng)層的片材成型,成型機(jī)還包括有設(shè)置在下成型輥4下方的第三放卷輥15和第三導(dǎo)輥13。如圖3所示,第一放卷輥1放出上襯膜經(jīng)第一導(dǎo)輥2后進(jìn)入上成型輥3和下成型輥4之間的輥壓區(qū),此時,第二放卷輥14放出玻纖增強(qiáng)布12經(jīng)第二導(dǎo)輥6后貼著承料平板7的上表面進(jìn)入輥壓區(qū),而下襯膜改由第三放卷輥15放卷并經(jīng)第三導(dǎo)輥13后進(jìn)入輥壓區(qū),也可將第三放卷輥15放卷出來的下襯膜經(jīng)第二導(dǎo)輥6后貼于玻纖增強(qiáng)布12的下面以及貼于承料平板7的上表面進(jìn)入輥壓區(qū)(因為第二導(dǎo)輥6設(shè)有三根,因此可以和玻纖增強(qiáng)布繞經(jīng)第二導(dǎo)輥6的同樣的輥或不同的輥),將有機(jī)硅導(dǎo)熱組合物漿料施加于承料平板7上的玻纖增強(qiáng)布12上,開啟上成型輥3、下成型輥4轉(zhuǎn)動并調(diào)整好輥筒間隙,厚度均勻的片材19就從另一側(cè)輸出,由上牽引輥10、下牽引輥11牽引經(jīng)托輥18后進(jìn)入烘道固化。
參看圖6,示出了烘道的結(jié)構(gòu),烘道包括一設(shè)置有進(jìn)片口101和出片口102的基本封閉的長形箱體100,其長度根據(jù)片材19在其中的輸送速度而定,速度快要求長,速度慢可以短一些,主要要保證片材完成硅-氫加成反應(yīng)即固化,一般為10~25米,本實施方式的箱體100的有效長度為16米。箱體100內(nèi)的下部設(shè)置有平履帶傳送裝置103,因箱體較長,可設(shè)置多個這樣的平履帶傳送裝置103。平履帶傳送裝置103上部平履帶的上表面與片材成型機(jī)的下牽引輥11的上部切平面基本在同一水平面,防止片材19受力變形。箱體100內(nèi)上部設(shè)置有紅外加熱裝置104,還可在箱體100內(nèi)兩側(cè)也設(shè)置紅外加熱裝置104以保證溫度更加均勻,紅外加熱裝置104可以為紅外加熱管。片材19從進(jìn)片口101進(jìn)入烘道箱內(nèi),由平履帶往前輸送的同時經(jīng)紅外光加熱固化,固化后的片材19從出片口102輸出。成型固化后的片材再經(jīng)人工或自動裁切機(jī)分切成需要的長寬尺寸,經(jīng)檢驗合格包裝入庫。
實施例1
①、將30重量份的乙烯基硅油和70重量份的導(dǎo)熱填料加入行星攪拌機(jī)中混合1小時,冷卻至室溫后進(jìn)行三輥研磨,用刮板細(xì)度計測定細(xì)度達(dá)到20~30微米,得到初漿;
②、往行星攪拌機(jī)中加入100重量份的初漿,并加入含Pt量0.1%(質(zhì)量)的氯鉑酸的異丙醇溶催化劑0.9重量份,行星攪拌機(jī)參數(shù)設(shè)置為:公轉(zhuǎn)40~45轉(zhuǎn)/分、分散60~65轉(zhuǎn)/分,抽真空(保持真空度為0.095兆帕)攪拌10分鐘后停機(jī);
③、加入0.6重量份的含氫硅油,行星攪拌機(jī)參數(shù)設(shè)置及真空度同步驟②,抽真空攪拌10分鐘即得有機(jī)硅導(dǎo)熱組合物漿料;
④、開啟片材成型機(jī),放好上、下襯膜,襯膜均為經(jīng)有機(jī)硅隔離劑處理過的聚酯膜,調(diào)整好擋料板間距;開啟烘道,溫度設(shè)定為75±5攝氏度、平履帶速度控制在4.1~5.8轉(zhuǎn)/分范圍;
⑤、將制備好的漿料均勻施加于下襯膜上,待料過上、下成型輥進(jìn)入上、下牽引輥后,通過牽引松緊調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)好牽引壓力,通過輥間隙調(diào)節(jié)裝置調(diào)整出片厚度為1.0±0.05毫米,牽引速度設(shè)置為9.5~12.0轉(zhuǎn)/分,將片材送入烘道固化;
⑥、片材完成固化從烘道輸出后,自然或冷風(fēng)冷卻至室溫,手工裁切成425×305的基片;
⑦、按照客戶要求用數(shù)控裁切機(jī)將基片裁切成60×50毫米的有機(jī)硅導(dǎo)熱貼片,檢驗合格后包裝入庫。