导热相变高分子复合材料制备方法

导热相变高分子复合材料制备方法

侯雷

中国石油天然气股份有限公司广东石化分公司  广东 揭阳 515200

摘要：相变材料是利用相变潜热将能源储存起来，并结合各种工业应用的需要，使用时释放热能。近年来，随着国内微电子技术的不断发展与完善，电子器件向着小型化、高集成化、高功率方向发展，其耐热与散热问题逐渐成为限制其进一步发展的因素与瓶颈。目前，在制造界面散热材料领域中，相变材料已有大量应用，伴随着温度的日益增高，常温条件下的材料将会变得越来越软，在达到相变温度之后，将会发生固态相变反应，最终转变为液态，并吸收发热元件的热量，以尽最大的可能保障金属界面得以实现温度平衡，将界面间隙中存在的空气直接排出，减少界面热阻，改善界面的散热效率。基于此，文章针对导热相变高分子材料的制备展开研究，并提出制备的具体方法，以供参考。

关键词：导热相变高分子复合材料；复合材料；材料制备

引言：导热相变高分子复合材料在制备过程中，通过添加适当的相变填料，可以有效地降低复合材料的导热系数，提高热传导效率，解决目前导热材料存在的导热系数低、热导率低等问题，是目前极具发展潜力的新型高热导材料。目前导热相变高分子复合材料应用于电子信息、汽车工业等领域，其发展前景十分广阔。

一、导热相变高分子复合材料制备方法

（一）多孔吸附法

实现尢机导热填料粒子和熔融态相变功能高分子材料二者之间的有机结合，并使用真抠浸渍法和加热加压浸渍法，可以让相变高分子材料直接吸附于多孔导热填料孔道中，并借助于毛细作用影响以及表面的张力作用，为解决这一问题提供了一种新的思路。PEG具有高相变焓值，具有相对较小的热滞效应，通过将各种分子量的PEG按照一定的配比进行组合，能够全面调整系统的热物性参数，让晶区熔点和结晶点向所要求的相变温域偏移。目前已有项目拟以高导热膨胀性石墨为基体，采用真空浸泡法制备具有一定分子量的聚乙二醇（PEG)，并在EG纳来孔道中加入聚乙二醇，实现PEG基复合相变材料的可控制备。随着EG含量的持续提高，PEG相变复合材料的热扩散速率也会得到全面提高，在质量百分比为75%时，其热扩散速率能够直接达到每秒4.25mm²/s。究其原因，是由于EG热导效率相对较高，可以加速散热。与此同时，借助于这一技术，未发现吸附之后的EG表面残有PEG，主要也是由于EG表面有着较为丰富、多元化的蠕虫状孔隙结构，借助其疏松性，可以带来较为良好的PEG吸附效果。在EG孔隙结构中，PEG分子长链可以顺着孔道的方向来进行统一整齐排列，PEG的结晶度得到提升，可以使得相变复合材料的相变含得到提高。除此之外，伴随着PEG相对分子质量的持续增大，到达特定值之后，复合材料中存有的PEG含量也会全面降低，对应的相变焓将会下降。

（二）原位聚合法

在胶囊化的过程中，可以将形成囊壁的反应单体和催化剂置于相变材料的内外，并根据液体表面，发生某种聚合反应。在反应前期，聚合物单体能在微粒上形成较小分子量的聚集物，随着聚集物粒径的不断扩大，最终沉积在微粒上。在此基础上，通过交联聚合法，使其成为一种固态的包覆结构，从而得到新型微囊型相变材料。现已有研究者将綦丙烯酸酯（MMA）在50℃的条件下进行了预聚反应，并在其中融入PEG，进行充分搅拌之后，保障其完全溶解，随后基于60℃的环境之下，进行两小时的预聚处理，在混合物彻底变粘稠之后，在其中加入适量的氮化铝粉末，并进行充分搅拌，将搅动后的混合物置于模具中，设定温度至90℃，随后置于真空干燥箱中，使MMA聚合反应更加充分，得到PEG/AlN/PMMA复合相变材料。在此基础上，进一步提高AlN的掺量，提高其热导性能。当AlN含量为30%时，该复合体系的热导率可达0.389W/(m·K)/，热导率相比可以提升53.8%。

（三）共混熔融法

其中，高熔点组份为载体，低熔点组份为相变体，通过熔化工艺，可以实现共混体的制备。考虑到相似性和相融性原则，相变材料需要与高聚物具有较好的兼容性，才能将其完全包裹在其中。当前，已经有研究人员使用170℃以下的石蜡，使其与高密度聚乙烯进行高效混合，然后对其进行熔化，添加抗氧化剂和EG，展开均匀的搅拌，在10kpa的压强下进行压缩，最后得到EG/石蜡/HDPE复合相变材料。当高密度聚乙烯与烷烃的比例满足某一比例时，随着EG的加入，复合材料的导热系数也会随之增大。当其质量含量为16.7%时，其导热系数为1.549W/(m·K)，较石蜡/高密度聚乙烯（HDPE）可提高378.1%。

二、导热相变高分子复合材料工业应用及前景

（一）电子信息行业

在电子信息行业中，导热相变高分子复合材料在电子元器件的散热问题中起着举足轻重的作用。导热相变高分子复合材料能够在系统温度过高时，降低器件的温度，而当系统温度过低时又能迅速膨胀，使热量散发到空气中去。同时，导热相变高分子复合材料具有很高的导热系数，材料中还含有一定含量的相变填料，因此能够很好地解决电子产品在使用过程中发热过高、散热不足等问题。比如在笔记本电脑的散热方案中，由于笔记本电脑通常都采用被动散热方式，其自身不能产生大量热量。因此，需要一种可以产生热量的导热材料来解决散热问题。

（二）汽车工业

相变材料在汽车工业中的应用主要包括：内饰件（如仪表板、座椅、踏板等）和其他关键部位（如发动机盖、引擎盖、车门、保险杠、车轮等）。汽车工业中相变材料的应用，有利于提高汽车的安全性能和燃油效率。

（三）新能源电池

随着新能源汽车技术的发展，锂离子电池能量密度不断提高，但锂离子电池热稳定性差、内部温升快、工作温度高。因此，在新能源汽车动力电池管理系统中，需要采用导热相变高分子复合材料来提高电池的热稳定性。近年来，随着电子产品集成度的提高，电池内部出现了大量的微通道，为了降低热阻，采用导热相变高分子复合材料可以有效地降低电池的内阻，提高散热效果。导热相变高分子复合材料在锂离子电池中应用具有降低充电电压、增大电流密度、提高能量密度、改善循环性能等优点，并且可以降低电池生产成本、简化生产工艺。

（四）节能环保领域

随着社会经济的发展，能源消耗与环境污染问题日益严重。国家节能环保政策的出台，更加推动了对节能环保产品的需求，为导热相变高分子复合材料的应用提供了市场空间。在节能环保领域，导热相变高分子复合材料可以用于工业余热回收系统中的冷凝器、换热器等设备，降低能量损失，提高能源利用率。

（五）其他应用领域

相变高分子材料还被广泛应用于航空航天、军事等领域，比如作为热控元件、飞行控制元件、光学元件等。在航空航天领域，由于其要求相变温度范围大，导热系数高，因此需要采用导热相变高分子复合材料来满足这一要求。在军事领域，导热相变高分子材料可以有效的应用于武器装备和武器系统中，为其提供热防护和冷却。

结论：

综上所述，与传统的相变材料相比，导热相变复合高分子材料的优势较多，例如其储热密度相对较大，相变过程近似等温，有着较好的热导率，同时加工性能较为突出，力学强度较好，韧性较大，安装使用过程较为便捷，适合多个行业进行运用。这就需要有关工作人员了解导热相变高分子复合材料的正确制备办法，为我国电子信息、汽车工业、新能源电池、节能环保和其他应用领域的发展打下坚实的材料基础。

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