（2001年6月1日，作者：LILLI MANOLIS SHERMAN）
--一些經(jīng)過配方設(shè)計以替代金屬或陶瓷的熱塑性塑料，正扮演著幫助電子設(shè)備、照明產(chǎn)品和汽車發(fā)動機保持涼爽的新角色。
散熱器及其他散熱應(yīng)用，是熱塑性塑料（固有的絕熱體）尚未能取代金屬的最后幾個領(lǐng)域之一。直到最近情況才有所改變。對塑料進行改性
以提高其導(dǎo)熱性，對于少數(shù)幾家復(fù)合材料生產(chǎn)商來說是一個蓬勃發(fā)展的機遇領(lǐng)域。他們已接受挑戰(zhàn)，利用塑料來解決電子、家電、照明、
汽車和工業(yè)產(chǎn)品中的熱量積聚問題。
在眾多的先驅(qū)者中，普立萬公司、Cool Polymers公司、LNP工程塑料公司、RTP公司以及泰科納公司開發(fā)的導(dǎo)熱復(fù)合材料均已在近兩年實現(xiàn)了
商業(yè)化。通用電氣塑料公司、杜邦公司和A.舒爾曼公司也正在進行相關(guān)的開發(fā)項目。就在上個月，普立萬公司與酷聚合物公司達成了一項聯(lián)
合開發(fā)協(xié)議，旨在利用后者在模具設(shè)計、熱管理測試以及原型應(yīng)用注塑成型方面的技術(shù)能力。
導(dǎo)熱復(fù)合材料通常不被認為是金屬的直接替代品。相反，它們?yōu)?quot;熱管理"應(yīng)用開辟了廣闊的新機遇。由這類新一代材料注塑成型的部件，可
以在某些應(yīng)用中替代金屬和陶瓷，在其他應(yīng)用中替代不導(dǎo)熱的塑料。其用途包括電路板上的定制注塑散熱器，以及家電、照明、通信設(shè)備、
商用機器和腐蝕性環(huán)境中使用的工業(yè)設(shè)備中的熱交換器管路。散熱器通常涉及在金屬熱管上包覆成型塑料。照明應(yīng)用還包括反射器、激光二
極管封裝和熒光燈鎮(zhèn)流器。汽車前照燈反射器正在開發(fā)中。
在像熱敏電阻這樣的溫度傳感器中，導(dǎo)熱塑料封裝有助于改善溫度傳感器本身的響應(yīng)速度。導(dǎo)熱復(fù)合材料也用于封裝小型電機和電機骨架。
一種柴油燃油泵使用導(dǎo)熱塑料來幫助確保燃油在零下溫度下仍能流動。
更特殊的應(yīng)用可能包括輻射地板采暖系統(tǒng)，其中盤管之間放置的導(dǎo)熱薄膜可以使水在更低的溫度下運行。另一種可能性是圍繞保險杠的輪廓
模塑全塑料汽車散熱器，以替代傳統(tǒng)的方盒式設(shè)計。
*Cool Polymers公司的新材料*
日益小型化且功耗更高的電子產(chǎn)品的熱傳導(dǎo)需求，為這類新一代冷卻材料打開了大門。未填充的熱塑性塑料的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.2 W/mK，而大
多數(shù)導(dǎo)熱塑料復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)通常要高出10到50倍（1-10 W/mK）。Cool Polymers公司提供的產(chǎn)品，其導(dǎo)熱系數(shù)更是基礎(chǔ)聚合物的100到
500倍（10-100 W/mK）。
傳統(tǒng)上，鋁一直是控制電子產(chǎn)品中較高熱通量的主要材料。擠壓級鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)接近150 W/mK。一些壓鑄金屬合金（鎂或鋁）的導(dǎo)熱系
數(shù)在50-100 W/mK范圍內(nèi)。
然而，有觀點認為，如果金屬將熱量傳導(dǎo)至產(chǎn)品表面的速度快于空氣流動對流從表面帶走熱量的速度，那么金屬的高導(dǎo)熱性就無法被有效利
用。Cool Polymers公司的產(chǎn)品經(jīng)理Jim Miller表示："許多應(yīng)用中的熱傳遞是受對流限制的（即依賴于設(shè)計），而非受傳導(dǎo)限制的（即依賴于材
料）。"
導(dǎo)熱塑料通常擁有比鋁更低的熱膨脹系數(shù)（CTE），從而可以減少因差異膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力，因為塑料的熱膨脹系數(shù)更接近于它們所接觸的硅或
陶瓷的熱膨脹系數(shù)。導(dǎo)電塑料的重量比鋁輕40%；它們?yōu)槟Ｋ芄δ芗珊筒考咸峁┝嗽O(shè)計自由度；并且可以省去昂貴的后加工操作。
據(jù)Cool Polymers的Miller稱，如果沒有導(dǎo)熱塑料，許多利用微電子技術(shù)的進步本不可能實現(xiàn)。"這種控制熱量積聚，同時提供輕質(zhì)、靈活且低
成本應(yīng)用的能力，將使這些塑料成為未來幾十年最重要的技術(shù)發(fā)展之一。"
來自Cool Polymers的紅外攝影圖像揭示了為何許多塑料制成的部件會過熱并失效。將點熱源施加到平坦注塑板件的中心——一塊由標準PP制
成，另一塊由CoolPoly導(dǎo)熱PP復(fù)合材料制成。后者將熱量從中心熱點傳導(dǎo)出去，產(chǎn)生一個更均勻的溫度分布，整個板件的溫差不超過4°C。但
標準PP板件顯示其最熱點和最冷點之間存在24°C的溫差。
高昂的初始成本是目前導(dǎo)熱復(fù)合材料獲得更廣泛接受的最大障礙。一個關(guān)鍵因素是實現(xiàn)良好導(dǎo)熱性所用的高價填料，這導(dǎo)致這些復(fù)合材料的
成本至少是其可能替代的金屬或陶瓷材料的2.5倍。許多導(dǎo)熱復(fù)合材料的售價在每磅35-45美元之間，盡管一些導(dǎo)熱性較低的產(chǎn)品價格稍低。
*導(dǎo)熱添加劑*
最常用的導(dǎo)熱添加劑包括石墨碳纖維和陶瓷（如氮化鋁和氮化硼）。石墨纖維既導(dǎo)電又導(dǎo)熱，這使它們適用于需要射頻干擾屏蔽的應(yīng)用，例如
手持通信設(shè)備。相比之下，陶瓷添加劑是電絕緣的。它們適用于接觸電觸點的應(yīng)用。幾乎所有導(dǎo)熱復(fù)合材料的供應(yīng)商都同時提供導(dǎo)電型和絕
緣型產(chǎn)品。導(dǎo)熱復(fù)合材料通常使用結(jié)晶性工程樹脂進行配制，因為它們具有高耐熱性和較低的熔體粘度，但非晶樹脂也可使用。例如，
Cool Polymers已開發(fā)出一種導(dǎo)熱聚砜復(fù)合材料。通常，導(dǎo)熱復(fù)合材料比未填充或玻璃纖維增強樹脂具有更高的剛度和強度，但沖擊性能較低。
例如，玻璃纖維增強尼龍66的缺口伊佐德沖擊強度約為1.7-1.8 ft-lb/in.，而一種導(dǎo)熱絕緣的尼龍66的缺口伊佐德沖擊強度為1.0 ft-lb/in.。
導(dǎo)熱性最好的添加劑是由石油瀝青制成的特種石墨纖維，其導(dǎo)熱系數(shù)值為500-1000 W/mK。相比之下，基于聚丙烯腈（PAN）的結(jié)構(gòu)級碳纖
維的導(dǎo)熱系數(shù)低于10 W/mK。電絕緣陶瓷填料的導(dǎo)熱系數(shù)為：氮化硼60-80 W/mK，氮化鋁粉末300 W/mK。
BP公司目前是北美唯一一家生產(chǎn)瀝青基石墨纖維的制造商。康菲公司計劃明年早些時候在俄克拉荷馬州龐卡城的新工廠開始生產(chǎn)特種瀝青纖
維，旨在成為第二家供應(yīng)商。盡管BP的ThermalGraph瀝青基纖維售價約為每磅25美元，但BP已開發(fā)出一種低成本工藝，可將價格降低至少
25%。BP預(yù)計明年年初開始采用新工藝。
陶瓷填料的價格也很昂貴。氮化鋁售價約為每磅20美元，而氮化硼平均約為每磅50美元。Advanced Refractory Technologies公司的技術(shù)開發(fā)
經(jīng)理Juyoung Kim表示，由于氮化鋁填料的顆粒形狀比氮化硼的片狀更圓，因此含有氮化鋁的復(fù)合材料流動性比含氮化硼的好得多。Kim聲稱：
"因此，你可以輕松實現(xiàn)高達60%體積分數(shù)的氮化鋁填充量，而氮化硼最多只能達到20%體積分數(shù)。"他的公司是美國唯一的氮化鋁供應(yīng)商。
Kim表示，正在開發(fā)的新版本Maxtherm將允許更高的填充量和更大的導(dǎo)熱系數(shù)，預(yù)計今年晚些上市。
Advanced Ceramics公司的營銷總監(jiān)Don Lelonis表示，公司正在研究新的表面處理技術(shù)，以使氮化硼（BN）能夠?qū)崿F(xiàn)足夠高的填充量并保持
良好的可模塑性。同時也在努力改進BN顆粒的形狀和尺寸，以優(yōu)化導(dǎo)熱性。（美國另一家氮化硼供應(yīng)商是Saint-Gobain Advanced Ceramics公
司，前身為Carborundum公司。）
石墨纖維和陶瓷填料都會對加工設(shè)備產(chǎn)生磨損。注塑商可以通過使用低壓縮比螺桿、避免使用小澆口和止逆環(huán)來補償。Johnson建議，總體上
要盡量減少剪切。
*聚合物范圍擴大*
導(dǎo)熱熱塑性塑料的初期工作集中在高耐熱樹脂上，如LCP、PPS、PEEK和聚砜。PolyOne也在測試基于聚醚酰亞胺（GE的Ultem）的新型復(fù)合
材料。供應(yīng)商現(xiàn)在正擴大其產(chǎn)品范圍，包括中溫樹脂如ABS、PBT、聚碳酸酯和尼龍，以及低溫通用塑料如PP和PS。甚至熱塑性彈性體（TPE）
也開始進行導(dǎo)熱改性。
Cool Polymers的Miller說："在中溫工程樹脂組別中，我們瞄準了廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備的小型步進電機散熱器的應(yīng)用。在通用樹脂領(lǐng)域，我們
看到基于PP的復(fù)合材料以及可能的PS在非電子應(yīng)用中的潛力，例如與食品相關(guān)的消費類加熱和冷卻產(chǎn)品。"
Cool Polymers的CoolPoly系列目前包括LCP、尼龍66、PC/ABS和PPS的復(fù)合材料。根據(jù)樹脂類型不同，其導(dǎo)熱系數(shù)最高可達60 W/mK。彈性
體TPO復(fù)合材料正在開發(fā)中。該公司提供定制配制任何工程或通用熱塑性塑料的導(dǎo)熱等級的服務(wù)。
LNP的Konduit系列包括PPS、PP以及尼龍6和尼龍66等級。這些樹脂與碳、陶瓷或金屬填料以及少量玻璃纖維增強材料（如果需要）復(fù)合。一
個低成本產(chǎn)品組使用陶瓷或金屬添加劑，提供高達2W/mK的導(dǎo)熱系數(shù)。一個高性能產(chǎn)品組使用特種碳纖維，可實現(xiàn)10 W/mK的導(dǎo)熱系數(shù)。
LNP可以提供任何結(jié)晶性熱塑性塑料的定制Konduit產(chǎn)品。
Ticona提供四種Fortron PPS等級，導(dǎo)熱系數(shù)高達3.0W/mK，有絕緣或?qū)щ姲姹尽?/span>
如果沒有由新型導(dǎo)熱熱塑性塑料復(fù)合材料注塑成型的散熱器和散熱片，將功能更強大的微電子設(shè)備封裝到更小的空間中將是不可能實現(xiàn)的。
廣州大雄化工有限公司