導熱塑料:介紹、分類、機理、選購和應用大全

瀏覽次數: 日期:2017.06.29

導熱塑料:介紹、分類、機理、選購和應用大全!

表:常見塑料和填料的導熱率

典型塑料的導熱系數 W/(m.K)

材料

導熱率

材料

導熱率

PE

0.33

LDPE

0.33

HDPE

0.44

PVC

0.13-0.17

PS

0.08

PP

0.24

PMMA

0.17-0.25

PA

0.25

常用填料的導熱系數 W/(m.K)

Ag

417

Al

190

Ca

380

Mg

103

Fe

63

Cu

398

Au

315

BeO

219

MgO

36

A l2O3

30

CaO

15

NiO

12

AlN

320

SiN

270

c-BN

1300

h-BN

40-120

如上表所示,典型的高分子材料的導熱系數很低,一般0.2-0.46W/(m.K)左右;而金屬材料、金屬化合物導熱性能很好(導熱性能的好壞主要用導熱系數來衡量)。

在實際應用如LED燈中,其燈座需要材料量輕、絕緣且易散熱,導熱塑料結合了金屬和典型塑料的優點,其導熱系數一般為2-20W/(m.K),某些特殊品級導熱塑料的導熱系數可達50W/(m.K)或更高,最高可達100W/(m.K),特別適合應用在LED燈座等類似環境中。回復“導熱”查看更多文章

 

一、什么是導熱塑料?

從字面意思很好理解,導熱塑料既是具有良好導熱性能的塑料。那么如何實現塑料具有良好的導熱性?簡單的說,導熱塑料是以通用塑料或工程塑料為基材,將高導熱復合材料添加在塑料基材中共混復合、通過熱傳導改性而成的新型高性能塑料。



導熱塑料的主要組成包括:

主要基體材料:PPS、PA6/PA66、LCP、TPE、PC、PP、PPA、PEEK 等 

主要填料:AlN、SiC、Al2O3、Mg(OH)2、石墨等

導熱塑料憑什么能秒殺鋁材?

首先是好用:外殼為鋁合金時,由于外殼導電,內部必須采用隔離啟動系統;而絕緣導熱型塑料可以簡化設計,制造方便。

其次是便宜:單位質量的導熱塑料價格高于鋁,但系統成本卻持平或較低,且數量越大,塑料的成本優勢越明顯。這是因為導熱塑料采用注塑成型工藝,一次成型無需后續加工,而且在注塑成型時,模具可設計為一出四,所以工作效率很高,加工成本低。而鋁材,如壓鑄鋁:需要經澆鑄、壓鑄、打磨、拋光、鍍、氮化的一系列技術;加工周期長、加工成本高。

最后是輕薄:輕是不用過多介紹了,導熱塑料比鋁材輕 40-50%;薄是由于塑料本身的高流動性可以注塑得到更薄、更復雜的制品,從而既增加了其散熱性能,又增加其可設計性、節約成本。



二、導熱塑料有哪些常見的類型?

一般而言,塑料導熱性能不好,通過化學合成或物理共混金屬材料等可以顯著提高其導熱性。故導熱塑料主要包括:合成型和填充型。

1.合成型導熱塑料

合成具有高導熱系數的聚合物,如具有完整結晶、通過聲子實現導熱的聚合物。

2.填充型導熱塑料

通過高導熱填料粒子、纖維、層片等對聚合物進行填充。填充型導熱塑料又可分為兩類:

A.導熱絕緣塑料

►導熱系數不高,1.5W/m.k 左右;

►主要填料包括金屬氧化物 Al2O3、MgO、SiO2,金屬氮化物 AlN、Si3N4、BN 及 SiC 、B4C3等。

B.導熱導電塑料

►導熱系數可以做到5.0W/m.k或更高;

►主要填料包括金屬粉/ 纖維、石墨、碳纖維、CNT、石墨烯等。

 

三、填充型導熱塑料的導熱機理

目前,填充型導熱塑料占據主要市場,我們重點看看它的機理是怎樣的?

對于填充型導熱塑料來說,其導熱性能取決于聚合物和導熱填料的相互作用,填料種類不同其導熱機理不同。金屬填料是靠電子運動進行導熱;絕緣填料主要靠聲子導熱,其熱能擴散速率主要取決于鄰近原子或結合基團的振動。

金屬填料是靠電子運動進行導熱,從而具有較高的熱傳導性。

 

絕緣填料主要靠聲子導熱,其熱能擴散速率主要取決于鄰近原子或結合基團的振動。

另外,影響填充型塑料導熱性能的還有:填料種類、填料形體和粒徑、填料含量、填料表面處理方式、導熱塑料導熱機理。

 

四、常見導熱材料的優缺點分析

1、氮化鋁AlN

優點:導熱系數非常高。

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會水解AlN+3H20=Al(OH)3+NH3 ,水解產生的Al(OH)3會使導熱通路產生中斷,進而影響聲子的傳遞,因此做成制品后熱導率偏低。即使用硅烷偶聯劑進行表面處理,也不能保證100%填料表面被包覆。單純使用氮化鋁,雖然可以達到較高的熱導率,但體系粘度極具上升,嚴重限制了產品的應用領域。

2、氮化硼BN

優點:導熱系數非常高,性質穩定。

缺點:價格很高,市場價從幾百元到上千元(根據產品品質及粒徑大小不同價格差別較大),雖然單純使用氮化硼可以達到較高的熱導率,但與氮化鋁類似,大量填充后體系粘度極具上升,嚴重限制了產品的應用領域。

3、碳化硅SiC

優點:導熱系數較高。

缺點:合成過程中產生的碳及石墨難以去除,導致產品純度較低,電導率高,不適合電子用膠。密度大,在有機硅類膠中易沉淀分層,影響產品應用。環氧膠中較為適用。

4、氧化鎂MgO

優點:價格便宜。

缺點:在空氣中易吸潮,增粘性較強,不能大量填充;耐酸性差,一般情況下很容易被酸腐蝕,限制了其在酸性環境下的應用。

5α-氧化鋁(針狀)

優點: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,所得產品導熱率有限。

6α-氧化鋁(球形)

優點: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 

優點:粒徑及均勻性很好,適合生產導熱硅脂。

缺點:導熱性偏低,不適合生產高導熱產品;質輕,增粘性較強,不適合灌封。

8、石英粉(結晶型)

優點:密度大,適合灌封;價格低,適合大量填充,降低成本。

缺點:導熱性偏低,不適合生產高導熱產品。密度較高,可能產生分層。

綜上,不同填料有各自特點,選擇填料時應充分利用各填料的優點,采用幾種填料進行混合使用,發揮協同作用,既能達到較高的熱導率,又能有效的降低成本,同時保障填料與有機硅基體的混溶性。

 

五、選購導熱塑料需要注意哪些?

面對眾多的導熱塑料供應商,如何更合理地挑選高性價比的產品,以下幾大材料性能尤其值得關注:

1. 導熱系數

作為關鍵技術指標,目前各個廠家的材料,導熱系數是最受用戶關注的。而測試導熱系數的技術標準卻各不相同,有ASTM E1530、ASTM E1461等等。即使在同樣的技術標準下,測試手段又有所不同,比如有平板法,激光法,在不同的測試手段情況下,最后的測試結果誤差范圍是完全不同的。通常激光法的精度要比平板法高,而激光法涉及的設備基本依賴進口,價格昂貴。

2. 材料流動性

通常會用熔融指數來表示。流動性好的導熱材料,其成型比較容易,生產較為順暢。基于流動性高的導熱塑料,散熱器的壁厚可以設計比較薄,通常為1-1.2mm, 由于薄的壁厚又會造成散熱路徑的縮短,從而提高散熱效果。同時,較薄的壁厚又會減低材料的克重,降低材料成本。如果是流動性差的材料,通常不太容易注塑成形,而且會容易損壞模具,增加模具維護費用。

3. 成型收縮率

通常在厚度為3mm 條件下,合格的成型收縮率應該在0.5%以下,大于0.8%會對散熱器尺寸精度產生不利影響。成型收縮率應越小越好。如選用較高成型收縮率的材料,將不得不增加壁厚來彌補。

4. 機械性能

導熱塑料散熱器的機械強度取決于幾個關鍵指標: 懸臂梁缺口沖擊強度,抗拉強度,彎曲強度,通常可以比較不同材料的指標,指標數值越大越好。機械性能優異的導熱塑料,可以在散熱器結構中加入卡扣設計,使得PC罩或透鏡與散熱器的接口通過卡扣來實現,從而避免完全依賴粘膠來固定。粘膠的問題在于:需要固化時間,延長交貨時間,同時膠水在高溫下容易霧化,影響出光效果。

5. 阻燃特性

關鍵有兩點,第一、是否符合UL94 V0 阻燃等級,對出口美國市場會比較關鍵,第二,是否無鹵素阻燃,簡單的說,阻燃劑中不要含有鹵素,否則材料的環保等級會下降,較難通過歐洲RoHS, REACH 指令。回復“RoHS”查看更多文章

6. 絕緣特性

導熱塑料的一個好處是絕緣安全性,如果注塑好的散熱外殼,可以承受3500V以上的高壓,那過安規測試應該很容易。匹配這樣的絕緣外殼,可以選用的燈板、電源方案可以比較靈活,包括:高壓線性燈珠+高壓線性電源,非隔離電源+中功率燈珠。具體的參數可以參考介電強度。

7. 熱膨脹系數

如果在散熱器結構中采用塑包鋁的結構,應考慮外層導熱塑料和內層鋁合金的膨脹系數差異,鋁合金的熱膨脹系數為:0.000024 mm/mm*k,導熱塑料的膨脹系數應在相同的數量級別,否則會造成不能同步熱脹冷縮,導致散熱器外殼開裂。

 

六、導熱塑料的應用有哪些?

>> 電池外殼

ʌ 降低電池表面溫度,提高安全性 ;

ʌ 延長電池壽命 ;

ʌ 縮短電池充電時間 。

>>LED 燈罩 

ʌ 減輕 LED 燈重量,提高安全性 ;

ʌ 降低 LED 燈溫度,提高燈光質量,延長燈的壽命;

ʌ 更加環保低碳 。

>> 馬達線圈骨架

ʌ 降低骨架溫度,提高可靠性

ʌ 延長使用壽命 

>> 電動工具外殼

ʌ 降低外殼表面溫度,提高舒適性和安全性;

ʌ 延長工具使用壽命 。

 

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