导热塑料：介绍、分类、机理、选购和应用大全！
表：常见塑料和填料的导热率
典型塑料的导热系数 W/(m.K) | |||
材料 | 导热率 | 材料 | 导热率 |
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 |
常用填料的导热系数 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导热系数很低，一般0.2-0.46W/(m.K)左右；而金属材料、金属化合物导热性能很好（导热性能的好坏主要用导热系数来衡量）。
在实际应用如LED灯中，其灯座需要材料量轻、绝缘且易散热，导热塑料结合了金属和典型塑料的优点，其导热系数一般为2-20W/(m.K)，某些特殊品级导热塑料的导热系数可达50W/(m.K)或更高，最高可达100W/(m.K)，特别适合应用在LED灯座等类似环境中。回复“导热”查看更多文章
一、什么是导热塑料？
从字面意思很好理解，导热塑料既是具有良好导热性能的塑料。那么如何实现塑料具有良好的导热性？简单的说，导热塑料是以通用塑料或工程塑料为基材，将高导热复合材料添加在塑料基材中共混复合、通过热传导改性而成的新型高性能塑料。
导热塑料的主要组成包括：
主要基体材料:PPS、PA6/PA66、LCP、TPE、PC、PP、PPA、PEEK 等
主要填料:AlN、SiC、Al2O3、Mg(OH)2、石墨等
导热塑料凭什么能秒杀铝材？
首先是好用：外壳为铝合金时，由于外壳导电，内部必须采用隔离启动系统；而绝缘导热型塑料可以简化设计，制造方便。
其次是便宜：单位质量的导热塑料价格高于铝，但系统成本却持平或较低，且数量越大，塑料的成本优势越明显。这是因为导热塑料采用注塑成型工艺，一次成型无需后续加工，而且在注塑成型时，模具可设计为一出四，所以工作效率很高，加工成本低。而铝材，如压铸铝：需要经浇铸、压铸、打磨、抛光、镀、氮化的一系列技术；加工周期长、加工成本高。
最后是轻薄：轻是不用过多介绍了，导热塑料比铝材轻 40-50%；薄是由于塑料本身的高流动性可以注塑得到更薄、更复杂的制品，从而既增加了其散热性能，又增加其可设计性、节约成本。
二、导热塑料有哪些常见的类型？
一般而言，塑料导热性能不好，通过化学合成或物理共混金属材料等可以显著提高其导热性。故导热塑料主要包括：合成型和填充型。
1.合成型导热塑料
合成具有高导热系数的聚合物，如具有完整结晶、通过声子实现导热的聚合物。
2.填充型导热塑料
通过高导热填料粒子、纤维、层片等对聚合物进行填充。填充型导热塑料又可分为两类：
A.导热绝缘塑料
►导热系数不高，1.5W/m.k 左右；
►主要填料包括金属氧化物 Al2O3、MgO、SiO2，金属氮化物 AlN、Si3N4、BN 及 SiC 、B4C3等。
B.导热导电塑料
►导热系数可以做到5.0W/m.k或更高；
►主要填料包括金属粉/ 纤维、石墨、碳纤维、CNT、石墨烯等。
三、填充型导热塑料的导热机理
目前，填充型导热塑料占据主要市场，我们重点看看它的机理是怎样的？
对于填充型导热塑料来说，其导热性能取决于聚合物和导热填料的相互作用，填料种类不同其导热机理不同。金属填料是靠电子运动进行导热；绝缘填料主要靠声子导热，其热能扩散速率主要取决于邻近原子或结合基团的振动。
图：导热导电型材料导热机理
金属填料是靠电子运动进行导热，从而具有较高的热传导性。
图：导热绝缘型材料导热机理
绝缘填料主要靠声子导热，其热能扩散速率主要取决于邻近原子或结合基团的振动。
另外，影响填充型塑料导热性能的还有：填料种类、填料形体和粒径、填料含量、填料表面处理方式、导热塑料导热机理。
四、常见导热材料的优缺点分析
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，但体系粘度极具上升，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（根据产品品质及粒径大小不同价格差别较大），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极具上升，严重限制了产品的应用领域。
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、石英粉（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。
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，同时保障填料与有机硅基体的混溶性。
五、选购导热塑料需要注意哪些？
面对众多的导热塑料供应商，如何更合理地挑选高性价比的产品，以下几大材料性能尤其值得关注：
1. 导热系数
作为关键技术指标，目前各个厂家的材料，导热系数是最受用户关注的。而测试导热系数的技术标准却各不相同，有ASTM E1530、ASTM E1461等等。即使在同样的技术标准下，测试手段又有所不同，比如有平板法，激光法，在不同的测试手段情况下，最后的测试结果误差范围是完全不同的。通常激光法的精度要比平板法高，而激光法涉及的设备基本依赖进口，价格昂贵。
2. 材料流动性
通常会用熔融指数来表示。流动性好的导热材料，其成型比较容易，生产较为顺畅。基于流动性高的导热塑料，散热器的壁厚可以设计比较薄，通常为1-1.2mm, 由于薄的壁厚又会造成散热路径的缩短，从而提高散热效果。同时，较薄的壁厚又会减低材料的克重，降低材料成本。如果是流动性差的材料，通常不太容易注塑成形，而且会容易损坏模具，增加模具维护费用。
3. 成型收缩率
通常在厚度为3mm 条件下，合格的成型收缩率应该在0.5%以下，大于0.8%会对散热器尺寸精度产生不利影响。成型收缩率应越小越好。如选用较高成型收缩率的材料，将不得不增加壁厚来弥补。
4. 机械性能
导热塑料散热器的机械强度取决于几个关键指标: 悬臂梁缺口冲击强度，抗拉强度，弯曲强度，通常可以比较不同材料的指标，指标数值越大越好。机械性能优异的导热塑料，可以在散热器结构中加入卡扣设计，使得PC罩或透镜与散热器的接口通过卡扣来实现，从而避免完全依赖粘胶来固定。粘胶的问题在于：需要固化时间，延长交货时间，同时胶水在高温下容易雾化，影响出光效果。
5. 阻燃特性
关键有两点，第一、是否符合UL94 V0 阻燃等级，对出口美国市场会比较关键，第二，是否无卤素阻燃，简单的说，阻燃剂中不要含有卤素，否则材料的环保等级会下降，较难通过欧洲RoHS, REACH 指令。回复“RoHS”查看更多文章
6. 绝缘特性
导热塑料的一个好处是绝缘安全性，如果注塑好的散热外壳，可以承受3500V以上的高压，那过安规测试应该很容易。匹配这样的绝缘外壳，可以选用的灯板、电源方案可以比较灵活，包括：高压线性灯珠+高压线性电源，非隔离电源+中功率灯珠。具体的参数可以参考介电强度。
7. 热膨胀系数
如果在散热器结构中采用塑包铝的结构，应考虑外层导热塑料和内层铝合金的膨胀系数差异，铝合金的热膨胀系数为：0.000024 mm/mm*k，导热塑料的膨胀系数应在相同的数量级别，否则会造成不能同步热胀冷缩，导致散热器外壳开裂。
六、导热塑料的应用有哪些？
图：电池外壳
>> 电池外壳
ʌ 降低电池表面温度,提高安全性 ；
ʌ 延长电池寿命 ；
ʌ 缩短电池充电时间 。
图：LED灯罩（图片来源于中广核俊尔）
>>LED 灯罩
ʌ 减轻 LED 灯重量,提高安全性 ；
ʌ 降低 LED 灯温度,提高灯光质量,延长灯的寿命；
ʌ 更加环保低碳 。
图： 马达线圈骨架（左）和电动工具外壳 （右）
>> 马达线圈骨架
ʌ 降低骨架温度,提高可靠性
ʌ 延长使用寿命
>> 电动工具外壳
ʌ 降低外壳表面温度,提高舒适性和安全性；
ʌ 延长工具使用寿命 。
图：导热塑料应用于照明领域（图片来源于深圳华力兴）
七、全球知名的导热塑料供应商有哪些？
巴斯夫（德国）、科思创（前拜耳材料科技，德国）、圣戈班（法国）、东丽（日本）、帝斯曼（荷兰）、海拉胡克股份公司（德国）、RTP公司（美国）、赛拉尼斯（美国）、普立万（美国）、钟化（日本）、三菱工程塑料（日本），如果您也是导热塑料供应商，请在评论处为自己代言！
本文部分内容来源百度文库：http://wenku.baidu.com/view/a760c64be518964bcf847c8c.html?from=search&isbtn=1，艾邦高分子编辑整理，转载请注明来源。如涉及版权，请联系我们删除，联系邮箱：
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