导热机理

热传导过程采取扩散形式, 但各种材料的导热机理是不同的。储九荣等对材料的导热机理进行了详细的讨论。固体内部的导热载体分别为电子、声子(点阵 波) 、光子(电磁辐射)3 种。对聚合物而言, 通常为饱和体系, 无自由电子, 导热 载体为声子, 热传导主要依靠晶格振动。聚合物相对分子质量很大, 具有多分散性, 分子链则以无规则缠结方式存在, 难以完全结晶, 再加上分子链的振动对声子有散射作用, 使聚合物材料的热导率很小。

要使聚合物具有更好的热导率, 可通过以下 2 种方式进行改性:

(1)合成具有高热导率的聚合物;

(2) 用高热导率物质填充聚合物, 制备聚合物基导热复合材料。生产实践中通常采用 添加高热导率填料的方式来提高高分子材料的热导率, 得到导热高分子复合材料。

导热网链型

1.1 导热网链型 填料的热导率及其在聚合物基体中的分布形式决定了整个复合材料的热导率。当填料的填加量较少时,填料在基体中以近似孤岛形式分布,为分散相,被聚 合包覆,形成类似于聚合物共混体系中的“海-岛”结构。当填料的填充量达到某 一临界值时,填料之间会相互接触,形成导热网链。随着填充量的增加,导热网链 相互贯穿,复合材料导热性能显著提高。这就如同一个简单的电路, 基体和填料分别看作 2 个热阻。当填充量较小时,不能形成导热网链,从热流方向来看,基体 和填料相当于是串联的热阻,阻值越大,导热性越差;当填充量较大时,填料之间 相接触,形成导热网链,导热网链热阻小,此时基体和填料在热流方向上相当于并联, 导热网链在热量传递过程中起主导作用, Agari 模型即是以导热网链机理为基础的。 这就如同一个简单的电路,基体和填料分别看作 2 个热阻。当填充量较小时, 不能形成导热网链,从热流方向来看,基体和填料相当于是串联的热阻,阻值越大, 导热性越差;当填充量较大时,填料之间相接触,形成导热网链,导热网链热阻小, 此时基体和填料在热流方向上相当于并联,导热网链在热量传递过程中起主导作用,。Agari 模型即是以导热网链机理为基础的。 热弹性组合增强型

1.2 热弹性组合增强型 李宾等以熔融共混法制备聚合物基导热复合材料,研究了复合材料热导率和 电导率随填料品种、粒径等因素的变化规律及内在原因。研究结果显示复合体系 热导率随填料含量的增加始终呈逐步上升趋势,未表现出电导率那样的急剧变化; 在相同填充量时,复合材料的热导率随粒径的减小而减小,与电导率随粒径变化 规律相反。这种差异主要是二者具有不同传导机理,文中通过热弹性复合增强机 制解释了这一变化规律。根据固体物理学理论,声子是人为量化的固体点阵振动格波, 与电子这一实体物质粒子的运动和传递存在实质性的差异。 导电过程是自 由电子的定向运动和传导过程,因此形成传导路径非常重要。通过分析各种无机 物的热物性变化规律发现,材料热导率的变化与经典振动和弹性力学中的弹性模量非常类似,因此可将材料的热导率看作是声子(即热振动)传递过程的弹性模 量。类似地,导热填料填充的聚合物基复合材料热导率的增大可以看成高热导率的填料对低导热率的基体的复合(组合增强作用)。