发布时间：2022-03-25所属分类：工程师职称论文浏览：1次
摘 要： 摘要：综述了两类导热绝缘材料的研究现状及其在电机、电子、LED封装、航空航天军事等领域的应用情况及发展前景，并指出了导热绝缘材料的发展方向。 关键词：导热;绝缘材料 0引 言 导热绝缘材料是一种常用的功能材料，通常以陶瓷、塑料、橡胶、胶粘剂、涂料等形式广泛应
摘要：综述了两类导热绝缘材料的研究现状及其在电机、电子、LED封装、航空航天军事等领域的应用情况及发展前景，并指出了导热绝缘材料的发展方向。
关键词：导热;绝缘材料
0引 言
导热绝缘材料是一种常用的功能材料，通常以陶瓷、塑料、橡胶、胶粘剂、涂料等形式广泛应用于微电子封装、电机、汽车、特种电缆、高端航空航天等领域，在现代高科技领域有着良好的应用前景。
在电力工业中，大中型高压发电机、电动机在运行过程中会产生大量的热，如果不及时导出，将直接影响其工作效率，缩短寿命，降低其可靠性，因此电机传热已成为现代电机技术发展急需解决的问题之一。而随着电子产品、LED等不断向大功率方向发展，将会出现越来越多的发热问题，使产品功效降低，寿命缩短。因此急需研制高导热绝缘材料，解决结构散热问题，这也是世界各国电气绝缘材料的研究热点之一。
1导热绝缘材料的分类
1.1 无机非金属导热绝缘材料
通常金属(如Au、Ag、Cu、A1、Mg等)均具有较高的导热性，但均为导体，无法用作绝缘材料，而部分无机非金属材料，如金属氧化物A1：O，、MgO、ZnO、NiO，金属氮化物A1N、Si，N。、BN，以及SiC陶瓷等既具有高导热性，同时也具有优良的绝缘性能、力学性能、耐高温性能、耐化学腐蚀性能等，因此被广泛用作电机、电器、微电子领域中的高散热界面材料及封装材料等。
陶瓷封装具有耐热性好、不易产生裂纹、热冲击后不产生损伤、机械强度高、热膨胀系数小、电绝缘性能高、热导率高、高频特性、化学稳定性高、气密性好等优点，适用于航空航天、军事工程所要求的高可靠、高频、耐高温、气密性强的产品封装。由于陶瓷材料所具有的良好的综合性能，使其广泛用于混合集成电路和多芯片模组。在要求高密封的场合，可选用陶瓷封装。国外的陶瓷封装材料以日本居首，日本占据了美国陶瓷封装市场的90%～ 95%，并且占美国国防(军品)陶瓷封装市场的 95%～98%。传统的陶瓷封装材料是A1：0。陶瓷，具有良好的绝缘性、化学稳定性和力学性能，掺杂某些物质可满足特殊封装的要求，且价格低廉，是目前主要的陶瓷封装材料。SiC的热导率很高，是 A1：O，的十几倍，热膨胀系数也低于A1：O，和AIN，但是SiC的介电常数过高，所以仅适用于密度较低的封装。A1N陶瓷是被国内外专家最为看好的封装材料，具有与SiC相接近的高热导率，热膨胀系数低于A1：0，，断裂强度大于Al：O，，维氏硬度是A1：O，的一半，与A1：O，相比，AIN的低密度可使重量降低 20%，因此AIN封装材料引起国内外封装界越来越广泛的重视。
1.2聚合物基导热绝缘材料
由于聚合物材料具有优良的电气绝缘性能、耐腐蚀性能、力学性能、易加工性能等，人们逐步用聚合物材料代替传统的电气绝缘材料，但大多数聚合物材料的热导率很低，无法直接用作导热材料，需要通过加入导热性物质，使其成为导热绝缘材料。按获得导热性的方式，聚合物导热绝缘材料可分为本体导热绝缘聚合物和填充导热绝缘聚合物。本体导热绝缘聚合物通过在高分子合成或加工过程中改变其分子结构和凝聚态，使其具有较高的规整性，从而提高其热导率。填充型则是通过在高分子材料中加入导热绝缘填料来提高其热导率u4，。
1.2.1本体导热绝缘聚合物材料研究进展
本体导热绝缘聚合物材料的热导率主要取决于树脂的结晶性和取向性。通常认为，分子、晶格的非谐性振动，界面缺陷等都将引起声子散射，如果分子链刚性大，排列规整性高，则热量可沿分子链方向迅速传输，减弱声子散射的几率，如具有刚 R R 性基元的液晶高分子的热导率要优于无定形态聚合物。聚合物材料的热导率还取决于极性基团的含量和偶极化程度，如聚酰亚胺分子结构中极性基团较多，易于极化，因此聚酰亚胺薄膜的热导率可达0.37 W/(m·K)，而聚四氟乙烯为非极性材料，其热导率就相对较低，仅为0.25 W/(m·K)。除了通过分子结构设计获得高热导率聚合物外，还可以通过定向拉伸和模压等物理方法来提高材料的结晶完整性，进而提高其热导率。蔡忠龙等胪，研究了拉伸过程对聚乙烯热导率的影响，发现拉伸比为200时，热导率提高到原来的2倍甚至更高。据报道，对分子结构简单的聚乙烯进行拉伸处理，可使其热导率达到37 W/(m·K)。
K Fukushima等砸1通过合成含有联苯刚性结构的环氧树脂，并选用具有萘环结构的胺类作为固化剂，结果固化后的环氧树脂的热导率从普通双酚A 环氧树脂的0.17～0.21 W/fm·K)提高到0.30一0.35 W/(m·K)(如图l所示)。而Cary C Stevens等m使用具有刚性结构的液晶环氧树脂，并采用合适的固化剂，使其在液晶态下固化成型，所得固化物的热导率达到0.5 W/(m·目。
1.2.2填充型导热绝缘聚合物材料研究进展
虽然通过合成具有特殊分子结构的原材料，并采用特殊制备工艺可以获得高导热的本体导热绝缘聚合物，但其制备工艺复杂、难度大、成本高。因此，目前仍主要采用在聚合物中添加导热绝缘填料的方法制备导热绝缘聚合物材料。对于填充型导热绝缘聚合物，其热导率一方面取决于导热填料的品质，通常晶格缺陷越少，纯度越高，热导率越高，所制备的聚合物材料的热导率提升越大;另一方面取决于聚合物基体和导热填料间的复合情况。填料用量较少时，导热颗粒问未能相互接触和形成导热通道，热导率提高很小;只有当填料用量增大到某一临界值后，导热颗粒问才能形成导热网链，将热量快速导出，如果导热网链的取向和热流方向相同，则材料导热性将得到更大的提升。为了提高填料的分散性和导热性，通常要对填料进行表面改性，如通过硅烷偶联剂进行表面处理等(如图2所示)，并选择多种尺寸和形状的填料，以最大程度形成导热通道，提高热导率(如图3所示)9。】。
按照聚合物基体和应用领域的不同，填充型导热绝缘聚合物又可分为导热绝缘塑料、导热绝缘橡胶、导热绝缘胶粘剂和导热绝缘涂层等，关于这方面的详细论述已较多，在此不再赘述。
2导热绝缘材料的应用
2.1 电机领域的应用
随着电机的额定电压和装机容量不断增大，运行时所产生的损耗随之增加，从而产生出更多的热量，使得电机的温升增加。而高温是导致电气绝缘性能、力学性能下降、绝缘寿命缩短甚至失效的重要原因。因此，高压电机运行中的发热、传热、冷却将直接影响其工作效率、使用寿命和可靠性等重要指标。目前电机主要通过以下几种方式冷却：
(1)水冷：冷却用蒸馏水是在通有高压和电流的线圈铜排内部流动的，如果冷却水中含有杂质就会引起电气短路事故，因此水冷时必须配备水处理设备等。
(2)氢冷：氢气冷却时必须配备庞大的辅助设备，如氢油系统等。而且，如果冷却氢气中混人大约5%的空气就很容易引发爆炸危险。
(3)空冷：空气冷却具有结构简单、布置紧凑、运行可靠、安装迅速、调整灵活、维修方便、成本较低、占地较小等优点，因而回归改用空冷是市场和用户的要求。但是由于空气热容量太低，只有氢气、水的1/7到几十分之一。为了提高空气冷却能力，必须进行结构调整以降低导热热阻，达到降低温升的目的。
国外电机用高导热绝缘材料的研究和应用起步较早，国外于上世纪80年代就完成了高导热多胶云母带的研究，并在电机上得到应用(10.4 kV、6.5 Mw电动机)““”1。我国于1997年开始高导热多胶粉云母带的研制工作。研究初期，主要采用0【型球状或准球状超细Al：O，作为高导热填料(粒径约为 20～25 gm)，初步完成了实验室的探索研究工作，其间遇到了很多技术和生产工艺问题u 3。14，。后来，随着纳米技术的高速发展，为导热绝缘材料建立了一个新的研发平台。采用纳米Al：0，球型粉体作为导热填料，解决了很多工艺问题。样品带的试验线棒测试结果表明：使用纳米粉体制备的高导热多胶粉云母带的常规电气性能优异，虽然仍存在一些问题，但已使我国高导热多胶粉云母带主绝缘的研究向前迈进了一大步。
20世纪90年代初期，Von Roll Isola的R Brutsch等[10,12]开发了高导热少胶粉云母带，ABB将其应用于18 kV汽轮发电机。研究结果表明：通过加入约1/3云母带重量的导热填料，可使VPI处理后的主绝缘热导率达到0.5 W/(m·K);且高导热填料的引入和云母含量的减少没有引起主绝缘电气性能发生变化，介质损耗、电压和电老化等性能与普通少胶VPI主绝缘基本保持一致。近年来，西门子Gary C Stevens等盯1还利用不同的传热模式和方法制备高导热少胶云母带，开展了大量的研究工作，包括：采用分子规整度高、热导率高的液晶环氧树脂作为基体胶粘剂，填充导热填料，制备出高导热少胶云母带，进一步提高导热性和工艺性;在传统少胶云母带玻璃布面涂覆高导热浆料，提高少胶云母带的导热性;与补强材料复合前，在云母纸表面印制条状或网格状高导热胶粘剂，在保证少胶带导热性的同时，可以减少胶粘剂的含量，保持较高的柔软性;对导热填料的选择进行优化，如微米级和纳米级导热填料的配合使用、选用导热纳米线或纳米棒导通纳米颗粒等，以提升胶粘剂的热导率=。而我国在高导热少胶云母带方面的研究工作至今尚未开展。
除主绝缘高导热多胶、少胶云母带外，国外应用于电机领域的高导热绝缘材料还包括：日立的环氧胶，其导热系数从0.15 W/(m·K)提高到0.96 W/ (m·K)(5倍);德国西门子研制的丝包导线，其导热系数从0.25 w/(m·K)提高到0.50 W/(m·K)(2倍);美国杜邦研制的聚酰亚胺薄膜，其导热系数从0.15 w/(m·K)提高到0.45 w/(m·K)(3倍)等，这些材料已在电机制造中得到应用。
2.2 电子封装领域的应用
随着芯片技术的不断进步，集成电子器件逐渐向高密度(如Intel酷睿17处理器的晶体管数达到 9.95亿)、高频(3GHz以上)、布线细微化(Intel 25纳米工艺已成熟应用于芯片制造)、芯片大功率化及表面安装技术方向发展。这种趋势使得在有限的体积内产生更多的热量，如果热量不能及时导出，积聚过多，便会导致芯片工作温度升高，影响其正常工作，甚至使电子元器件烧毁。
导热绝缘材料被广泛应用于电子封装领域，一方面对电子元件进行保护，另一方面将集成电路产生的热量及时导出。早期应用于电子封装的材料多为无机导热绝缘材料，如金属氧化物、氮化物陶瓷及其它非金属材料，因其自身性能的局限、价格昂贵、难以加工成型等因素，现已经无法满足现代电子封装技术的使用要求。而塑料封装工艺简单、成本低廉、适于大批量生产，因而被广泛应用于民用领域，目前95%以上的电子封装均采用塑料封装。
为了提高普通塑料封装材料的导热性，通常需要添加大量的导热填料。导热填料的加人不仅可以提高材料的热导率，降低封装材料的成本，还可以降低线膨胀系数，减小封装材料在固化过程中因体积收缩而产生的内应力，从而避免发生内引线断开等问题。国外对导热封装材料开展了大量的研究工作，P B由ard等【”1用A1：O。颗粒填充环氧树脂制备封装材料，当填料体积分数达到80%时，其热导率可达4.5 w/(m·K)。J W Bae等m】贝悃干究了不同粒径的A1N填料对环氧封装材料导热性的影响，结果表明：在保持填料总体积率为65%时，采用30 gm 和2 gm两种粒径的A1N颗粒搭配填充比单一粒径的A1N颗粒填充的环氧封装材料的热导率要高，其热导率最高可达5.2 W/(m·K)。进一步研究结果表明：热导率随A1N颗粒尺寸的增加而增大，当大尺寸的A1N颗粒达到总填充量的68.5%时，样品的热导率达到7.15 w/(m·K)。而国内在这方面所作的研究工作相对较少，高端的高导热电子封装材料仍然大量依赖进口。
2.3 LED封装领域的应用
目前大功率LED产业的迅猛发展，对高导热材料(包括胶黏剂和灌封胶)的需求日益增长。虽然 LED封装材料可以沿用电子封装的相关技术，通过添加导热填料等提高封装材料的导热性，但是由于 LED受户外使用环境、紫外线辐照等因素影响较大，因此对封装材料也提出了新的要求，如要求透光率高、具有抗紫外线老化性能等。封装发光二极管的典型基体材料为环氧树脂，这主要是由于环氧树脂具有优良的粘接性、耐腐蚀性及电绝缘性能。但环氧树脂抗紫外老化性能较差，长期使用会造成材料的劣化，甚至使LED失效，所以通常需要选用粒径小于400 nm的Al：O，提高其导热性，同时添加纳米ZnO、TiO：等紫外屏蔽材料做进一步改性，在保证良好的透光率下提高环氧树脂的耐紫外线老化性能。郭刚等”71将纳米TiO：加人高分子材料中，通过人工加速紫外老化实验发现其抗紫外老化性能得到大幅提高。姜利祥掣181也发现TiO：具有明显的抗真空紫外辐射的作用。汪斌华等”川对纳米TiO：和 ZnO的光学性能进行了研究，并将其作为抗老化剂应用到高分子材料中，取得了较好的效果。而对于功率更大的LED封装基体材料，则多采用抗紫外线老化性能更加优异的有机硅改性环氧树脂或完全替代环氧树脂，并通过添加粒径小于400 niil的无机填料(如石英粉、单晶硅铝粉、玻璃纤维等)改善封装材料的耐热性和导热性。
2.4航空航天军事领域的应用
应用于航空、航天、军事等领域的器件通常都需在高频、高压、高功率以及高温等苛刻的环境下运行，并且要求高可靠性，无故障工作时间长，对散热的要求极高，因此对绝缘材料的导热性、力学性能、耐热性能提出了更高的综合要求。
相关知识推荐：绝缘材料论文发表普刊
陶瓷材料具有耐高温、高强度、低密度、高气密性、耐氧化以及极高的热导率等诸多优点，因此被广泛用于航空、航天、军事等领域。例如，采用碳化硅纤维增强的碳化硅(SiC/SiC)等纤维陶瓷制造高速飞行器头锥、尾锥和整流罩等弹体部件，不仅可以减轻重量，而且可以省去部分冷却部件。具有良好绝缘性和高导热系数的氮化物和碳化物，包括氮化铝、氮化硼、氮化硅、碳化硅等陶瓷已被广泛应用于战机、导弹、卫星、火箭等电子系统的封装和高强度耐高温部件。同时，将这些无机陶瓷填料填充到橡胶、塑料等基体材料中，也可以制得具有良好综合性能的导热绝缘橡胶、塑料等口“231。通过在液体硅橡胶中高填充氧化铝及氮化硼等粉末，可以制备耐高温的导热硅橡胶，用于电子器械等;将氧化铝气相涂敷改性后的氮化铝粉末填充硅橡胶，可制取高导热、高耐热性封装材料或连接材料等。美国 Berquist公司将研制的导热绝缘橡胶用于飞机、太空仓、电机控制、汽车、家用电器等领域，处于世界领先水平。
3导热绝缘材料的发展方向
3.1纳米导热填料
对于填充型导热绝缘材料，导热填料本身的热导率、纯度等都会影响填充后的聚合物绝缘材料的导热性，因此研究具有高导热的新型导热填料，并对填料进行表面处理，使其能够更均匀地分散在基体树脂中，将有效地提高导热绝缘材料的导热性能。新型导热填料的纳米化是未来的一个重要研究方向，如果将无机填料的粒径减小到纳米尺寸，其导热性会因粒子表面原子数、内部结构等纳米效应而发生质的变化，如：普通A1N粉末的导热系数约为36 w/(m·K)，而纳米级A1N的导热系数可达 320 w/(m·K)。日本协和化学工业公司研发的高纯度纳米MgO，其导热系数大于50 W/(m·K)，较普通MgO粉体的导热系数提升了近一倍。
3.2高取向导热填料
普通的颗粒型导热填料为无规取向的烧结结构，其形成的导热通道有多个方向。而实际应用中通常希望只在某个方向上具有很高的热导率，因此设计结晶取向度高、结晶完整的纤维状导热填料可以大幅提高导热方向上(纤维轴向)的热导率，用聚合物制备成复合材料后，纤维状的取向导热填料也可以在导热方向上保持极高的热导率，从而制备出热导率远高于普通颗粒状填料填充的复合材料。
3.3新型导热树脂
通过在树脂分子结构中引入联苯、萘、蒽等刚性结构，提高分子链的规整性，形成液晶或结晶型树脂，提高聚合物材料的导热性。除了开发热塑性结晶聚合物外，更需开发更多种类的热固性液晶、或固化后具有规整性或结晶结构的树脂，并降低成本，以满足电气浇注、浸渍等对树脂高导热性的要求。通过进一步在新型导热树脂中添加导热填料可更大幅度的提高其导热性。
3.4填料改性及传热结构的设计
通过对导热填料表面进行有效的改性可以提高其分散性和导热性，但同时还要注重各种形状和尺寸的导热填料的配合使用，并对导热填料进行组装控制，以达到最佳的填充效果，为声子传热建立最佳通道，从而提高其导热性能。
4结束语
国内在高导热绝缘材料，特别是原材料方面相对于日本、欧美等国家的技术水平还相对落后，仍需加强在该领域的研发投人，开发出具有更高热导率、更多品种的适用于电机、电子、LED封装、航天军事等领域的高端导热绝缘材料，推动国内电气绝缘技术的发展。——论文作者：王 文，夏 宇
参考文献：
[1】AGARI Y Ueda A，Nagai S.Thermal Conductivity of Com— posites in Several Type of Dispersion Systems[J].J Appl Polym Sci，1991，42(6)：1665—1669.
[2]Lu X，Xu G.Thermally Conductive Polymer Composites for Electronic Packaging[J].J Appl Polym Sci，1997，65(13)： 2733—2738.
【3】Xu Yunsheng，Chung D D L，Mroz Cathleen.Thermally Conducting Aluminum Nitride Polymer-matrix Composites[J]. Composites：Part A，2001，32：1749—1757.
[4] ISHIDA H，RIMDUSIT s.very High Thermal Conductivity Obtained by Boron Nitride—filled Polybenzoxaine[J]. Thermoch—imica Acta，1998，32：177-186.
[5】蔡忠龙.超拉伸聚乙烯的弹性模量和导热性能[J].高分子学报，1997(3)：76—87.
[6] Fukushima K，Takahashi H，Takezawa Y et a1.High Thermal Conductive Epoxy Resins with Controlled High—order Structure 【c].2004 Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena，2004：340—343.
[7] Cary C Stevens，James D B Smith，John W Wood，et a1. High Thermal Conductivity Mica Paper Tape：US， 2008050580Al[P】.
[8]Igor Sevostianov,Mark Kachanov.Connection Between Elas— tic Module and Thermal Conductivities of Aniso仃opicshort Fiber Reinforced Thermoplastics：Theory and Experimental Verification[J].Materials Science and Engineering，2003，A360： 339.344.
[9】Tavman H，Akinei H.Transverse Thermal Conductivity of Fi— ber Reinforced Polymer Composites[J].Heat Mass Transfer, 2000，27(2)：253—261.
[10] Brutsch R.New High Voltage Insulation with Increased Thermal Conductivity[C].EElC/ICW,Chicago：1993：323—327.
[1 1] Miller M L.Thermal Conductivity of High Voltage Stator Coil Groungwall Insulation[C].RI Cconference，Chicago， 1997：619.622.
SCI SSCI AHCI