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导热填料顾名思义就是添加在基体材料中用来增加材料导热系数的填料,常用的导热填料有氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅等;其中,尤以微米级氧化铝、硅微粉为主体,纳米氧化铝,氮化物做为高导热领域的填充粉体;而氧化锌大多做为导热膏(导热硅脂)填料用。
而用在航空、航天、LED、精密电子仪器等特殊领域的高导热填料有纤维状高导热碳粉、鳞片状高导热碳粉、高导热布等。
一、导热材料的导热系数列表:
材料名称 导热系数K(w/m.k)
纤维状碳粉 400-700(沿纤维方向)
鳞片状碳粉 1500-3000(平面层内导热)
氧化铍(剧毒) 270
氮化铝 80~320
氮化硼 125 -------有文章写60K(w/m.k)
碳化硅 83.6 -------有文章写170~220K(w/m.k)
氧化镁 36
氧化铝 30
氧化锌 26
二氧化硅(结晶型) 10
注:以上数据来自以下3篇论文
1.氧化铝在导热绝缘高分子复合材料中的应用,李冰,塑料助剂,2008年第3期,14~16页
2. 金属基板用高导热胶膜的研究,孔凡旺等,广东生益科技,第十一届覆铜板市场技术研讨会论文集101~106页
3. 复合绝缘导热胶粘剂的研究,周文英等中国胶粘剂2006年11月第15卷11期,22~25页
以下部分观点来自期刊论文,部分观点来自广大产品工程师,感谢大家。
1、氮化铝AlN,优点:导热系数非常高。缺点:价格昂贵,通常每公斤在千元以上;氮化铝吸潮后会与水反应会水解AlN+3H20=Al(OH)3+NH3 ,水解产生的Al(OH)3会使导热通路产生中断,进而影响声子的传递,因此做成制品后热导率偏低。即使用硅烷偶联剂进行表面处理,也不能保证100%填料表面被包覆。单纯使用氮化铝,虽然可以达到较高的热导率,但体系粘度急剧上升,严重限制了产品的应用领域。
2、氮化硼BN,优点:导热系数非常高,性质稳定。缺点:价格很高,市场价从几百元到上千元(根据产品品质不同差别较大),虽然单纯使用氮化硼可以达到较高的热导率,但与氮化铝类似,大量填充后体系粘度急剧上升,严重限制了产品的应用领域。
听说有国外厂商有生产球形BN,产品粒径大,比表面积小,填充率高,不易增粘,价格极高。
3、碳化硅SiC 优点:导热系数较高。缺点:合成过程中产生的碳及石墨难以去除,导致产品纯度较低,电导率高,不适合电子用胶。密度大,在有机硅类胶中易沉淀分层,影响产品应用。环氧胶中较为适用。
4、氧化镁MgO 优点:价格便宜。缺点:在空气中易吸潮,增粘性较强,不能大量填充;耐酸性差,一般情况下很容易被酸腐蚀,限制了其在酸性环境下的应用。
5、α-氧化铝(针状) 优点:价格便宜。缺点:添加量低,在液体硅胶中,普通针状氧化铝的最大添加量一般为300份左右,所得产品导热率有限。
6、α-氧化铝(球形) 优点:填充量大,在液体硅胶中,球形氧化铝最大可添加到600~800份,所得制品导热率高。 缺点:价格较贵,但低于氮化硼和氮化铝。
7、氧化锌ZnO 优点:粒径及均匀性很好,适合生产导热硅脂。缺点:导热性偏低,不适合生产高导热产品;质轻,增粘性较强,不适合灌封。
8、二氧化硅(结晶型) 优点:密度大,适合灌封;价格低,适合大量填充,降低成本。缺点:导热性偏低,不适合生产高导热产品。密度较高,可能产生分层。
9、纤维状高导热碳粉 优点:导热系数极高,沿纤维方向的导热率是铜的2-3倍,最高可达到700w/mk,同时具有良好的机械性能和优异的导热及辐射散热能力,并且可设计导热取向;缺点:价格昂贵,并且不易与塑料混合。
10、鳞片状高导热碳粉 优点:导热系数高,粒径在纳米级,填充率高;缺点:堆积密度大,不易加工,价格昂贵(但低于纤维状高导热碳粉)。
综上,不同填料有各自特点,选择填料时应充分利用各填料的优点,采用几种填料进行混合使用,发挥协同作用,既能达到较高的热导率,又能有效的降低成本,同时保障填料与基体材料的混溶性。
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高分子复合材料用导热填料研究进展
介绍了填充型高导热高分子复合材料中填料的研究现状,重点介绍了填料的种类、外形、粒径和表面处理等因素对复合材料导热性能的影响,展望了导热高分子复合材料中填料的研究趋势。
国产铝基板绝缘层
国产铝基板绝缘层基本上都使用了商品化的FR-4 半固化片(1080)(导热系数仅为0.3/m-K),该绝缘层之中没有添加任何的导热填料,因此,这种铝基板的热传导性能较差,不具备高强度的电气绝缘性能。国内在铝基板所用导热填料的选型,导热填料的预处理,导热填料和改性环氧树脂的配方研究,以及如何保证导热填料均匀的分布于绝缘层之中,尚没有进入实质性研究阶段。铝基板绝缘层如果没有添加合适的导热填料,而环氧树脂的热传导性又很差,显而易见整个铝基板的热传导能力就非常有限了。
是一种RTV导热硅橡胶组合物,包含A两端具有可水解基团的有机聚硅氧烷,B在一端具有至少一个可水解基团的有机聚硅氧烷,C导热填料,和D具有可水解基团的有机硅化合物或其部分水解缩合物。该组合物即使填充大量导热填料C,粘度也只经历最轻微的增加,具有很好的灌注、涂覆和密封性能,适合用于单组分形式。
参看图1,示出了《有机硅导热贴片连续成型方法》的有机硅导热贴片连续成型方法一个实施方式的流程,有机硅导热组合物浆料包含导热填料、乙烯基硅油、催化剂和固化剂,催化剂为氯铂酸的醇溶液,固化剂为含氢硅油,还可包含其他助剂如抑制剂、增粘剂、软化剂等。
具体包括下列依次进行的步骤:
a、将导热填料、乙烯基硅油和其他助剂混合均匀,研磨制得初浆;
b、将初浆中加入催化剂于真空条件下混合均匀;
c、加入固化剂于真空条件下混合均匀即得有机硅导热组合物浆料;
d、使制得的浆料覆上、下衬膜,同时辊压成型片材,片材经牵引往前输送;
e、片材输送至烘道的平履带上继续往前输送,同时在烘道中加热固化;
f、冷却从烘道中输出经固化的片材,裁切成所需规格的导热贴片。
步骤a、b、c中物料的混合优选适用高粘度物料混合的强力混合机,例如可以是行星搅拌机、双螺杆混炼机等,研磨优选采用三辊研磨机。真空条件是指混合过程中抽真空,优选真空度0.07兆帕以上,以充分排除夹在料中的空气和易挥发成分。
步骤d采用片材成型机完成,片材成型机的结构参看图2、图3、图4、图5,片材成型机包括机架17、设置在机架17上的一对辊筒和带动辊筒以相同的转速异向旋转的第一驱动部件,第一驱动部件包括电机16和与电机16连接的减速传动部件,减速传动部件与辊筒的轴连接,辊筒包括设置在下部的下成型辊4和设置在下成型辊4正上方的上成型辊3,两个辊筒均为主动辊。在上成型辊3两端的轴颈上分别设置有能使上成型辊3上下移动以调节上成型辊3与下成型辊4辊筒间隙的辊间隙调节装置8,也可在下成型辊4两端轴颈设置这样的调节装置。辊间隙调节装置8常用的可以采用丝杆手动调节的方式,也可采用电机带动的电动调节方式,通过调整辊筒间隙可以调节片材19的厚度。上成型辊3和下成型辊4彼此向内旋转的一侧为进料侧、彼此向外旋转的一侧为片材输出侧。片材成型机还包括:设置在进料侧的承料平板7,承料平板7的上表面与下成型辊4的上部水平切平面基本上在同一平面,两个平面的垂直距离不大于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辊4的上部水平切平面,不必严格的一致。承料平板7的前端贴近下成型辊4表面,其前端面与下成型辊4表面的间隙大于等于0.5毫米以防与辊面相接触损伤辊面,同时间隙太宽不利于片材成型,要求小于等于50毫米。在上成型辊3的上方设置有第一放卷辊1,在第一放卷辊1与上成型辊3之间设置有第一导辊2,用于上衬膜(一般为经有机硅隔离剂处理的聚酯膜)的放卷,第一放卷辊1的轴上装有张力调节装置以用于调节膜的松紧,使上衬膜平整地经第一导辊2进入上成型辊3和下成型辊4之间。第一导辊2可以根据需要设置一根或多根,图2示出为两根。在下成型辊4下方设置有第二放卷辊14,在承料平板7后端的后面设置有第二导辊6,第二导辊6同样可以为一根或多根,设置多根时可以水平排列,也可上下交叉排列,图3示出为三根水平排列的第二导辊6,第二导辊6的上部水平切平面与承料平板7的上表面基本一致,也即基本在同一水平面。第二放卷辊14用于下衬膜(同样一般为经有机硅隔离剂处理的聚酯膜)的放卷,第二放卷辊14的轴上也设置有张力调节装置,使下衬膜平整地经第二导辊6后平贴在承料平板7上进入下成型辊4和上成型辊3之间。片材成型机还包括第二驱动部件、设置在片材输出侧的上牵引辊10和设置于上牵引辊10正下方的下牵引辊11,下牵引辊11的上部水平切平面和下成型辊4的上部水平切平面基本一致,也即基本在同一水平面,第二驱动部件带动上牵引辊10和下牵引辊11同速异向旋转从而将片材19往前输送。上牵引辊10两端的轴颈上分别设置有牵引松紧调节装置9,用于调整牵引辊对片材19的压力以适应不同厚度片材的需要,而且可以通过调整牵引辊两边压力使片材平衡输出不起皱。在下牵引辊11前方还设置有托辊18,托辊18和下牵引辊11的上部水平切平面基本一致,可以对输出的片材19形成较好的支撑以防变形,托辊18可以为多根。
成型时,第一放卷辊1放出上衬膜经第一导辊2后进入上成型辊3和下成型辊4之间的辊压区,第二放卷辊14放出下衬膜经第二导辊6后贴着承料平板7的上表面进入辊压区,将有机硅导热组合物浆料施加于承料平板7上的下衬膜上,开启上成型辊3、下成型辊4转动并调整好辊筒间隙,厚度均匀的片材19就从另一侧输出,由上牵引辊10、下牵引辊11牵引经托辊18后进入烘道固化。
为了使承料平板7的前端更好地贴近下成型辊4,其前端面形状设计成与所贴近位置的下成型辊4表面形状相一致。承料平板7的宽度大于或等于上成型辊3和下成型辊4的工作面宽度,可以用于成型较大宽度的片材。为了防止有机硅导热组合物浆料从两边挤出及控制片材宽度一致,在进料侧左右两边还设置有一对相互平行的挡料板5,挡料板5底面置于承料平板7上表面上,挡料板5前端贴近上成型辊3且其前端面形状与所贴近位置的上成型辊3的表面形状相一致。为了方便调整挡料板5之间的距离,在机架17上部设置有导杆,导杆位于承料平板7的上方,挡料板5枢装在导杆上并用螺钉固紧,松开螺钉,挡料板5可左右地移动以调节两块挡料板5相互间的距离。
为了可以用于夹有中间加强层的片材成型,成型机还包括有设置在下成型辊4下方的第三放卷辊15和第三导辊13。如图3所示,第一放卷辊1放出上衬膜经第一导辊2后进入上成型辊3和下成型辊4之间的辊压区,此时,第二放卷辊14放出玻纤增强布12经第二导辊6后贴着承料平板7的上表面进入辊压区,而下衬膜改由第三放卷辊15放卷并经第三导辊13后进入辊压区,也可将第三放卷辊15放卷出来的下衬膜经第二导辊6后贴于玻纤增强布12的下面以及贴于承料平板7的上表面进入辊压区(因为第二导辊6设有三根,因此可以和玻纤增强布绕经第二导辊6的同样的辊或不同的辊),将有机硅导热组合物浆料施加于承料平板7上的玻纤增强布12上,开启上成型辊3、下成型辊4转动并调整好辊筒间隙,厚度均匀的片材19就从另一侧输出,由上牵引辊10、下牵引辊11牵引经托辊18后进入烘道固化。
参看图6,示出了烘道的结构,烘道包括一设置有进片口101和出片口102的基本封闭的长形箱体100,其长度根据片材19在其中的输送速度而定,速度快要求长,速度慢可以短一些,主要要保证片材完成硅-氢加成反应即固化,一般为10~25米,本实施方式的箱体100的有效长度为16米。箱体100内的下部设置有平履带传送装置103,因箱体较长,可设置多个这样的平履带传送装置103。平履带传送装置103上部平履带的上表面与片材成型机的下牵引辊11的上部切平面基本在同一水平面,防止片材19受力变形。箱体100内上部设置有红外加热装置104,还可在箱体100内两侧也设置红外加热装置104以保证温度更加均匀,红外加热装置104可以为红外加热管。片材19从进片口101进入烘道箱内,由平履带往前输送的同时经红外光加热固化,固化后的片材19从出片口102输出。成型固化后的片材再经人工或自动裁切机分切成需要的长宽尺寸,经检验合格包装入库。
实施例1
①、将30重量份的乙烯基硅油和70重量份的导热填料加入行星搅拌机中混合1小时,冷却至室温后进行三辊研磨,用刮板细度计测定细度达到20~30微米,得到初浆;
②、往行星搅拌机中加入100重量份的初浆,并加入含Pt量0.1%(质量)的氯铂酸的异丙醇溶催化剂0.9重量份,行星搅拌机参数设置为:公转40~45转/分、分散60~65转/分,抽真空(保持真空度为0.095兆帕)搅拌10分钟后停机;
③、加入0.6重量份的含氢硅油,行星搅拌机参数设置及真空度同步骤②,抽真空搅拌10分钟即得有机硅导热组合物浆料;
④、开启片材成型机,放好上、下衬膜,衬膜均为经有机硅隔离剂处理过的聚酯膜,调整好挡料板间距;开启烘道,温度设定为75±5摄氏度、平履带速度控制在4.1~5.8转/分范围;
⑤、将制备好的浆料均匀施加于下衬膜上,待料过上、下成型辊进入上、下牵引辊后,通过牵引松紧调节装置调节好牵引压力,通过辊间隙调节装置调整出片厚度为1.0±0.05毫米,牵引速度设置为9.5~12.0转/分,将片材送入烘道固化;
⑥、片材完成固化从烘道输出后,自然或冷风冷却至室温,手工裁切成425×305的基片;
⑦、按照客户要求用数控裁切机将基片裁切成60×50毫米的有机硅导热贴片,检验合格后包装入库。