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填料取向对塑料部件导热系数的影响

newmaker 来源：Ringer

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由含有各向异性导热填料的塑料化合物制成的部件表现出了取向性导热系数以及各向异性的材料性能。通过改变填料的取向，一种创新的工艺有助于提升部件的导热系数并优化部件的性能。

各个行业对电气和机电系统不断增长的需求——尤其是微型化的趋势促使人们开始寻求新的热管理概念。受到微型化的影响，可用空间以及模块里的空气都在相应减少，通风机等主动冷却部件也被摒弃。有一种方法可以满足这些新需求，那就是使用塑料部件壳体来消除热量。

赋予塑料导热系数

塑料本身具有低导热系数，因此常需要使用导热添加剂以制成导热材料。除了功能集成，导热塑料还具备一个金属材料（尽管它们具有良好的导热系数能）所不具备的特殊性能——电绝缘性能。这种优势的组合和塑料部件的高设计自由度为技术部件的热管理提供了新的方法。

同时，导热塑料可从市场上的多个供应商处获得，其导热系数大多位于1-20W/mK之间。调查表明，导热塑料的导热系数仅需达到3-5W/mK即可改善电子模块的热管理。众所周知，导热系数主要取决于：

■ 塑料的导热系数
■ 填料类型
■ 填料形状（球形、片状或纤维状）
■ 填料尺寸
■ 填料用量

片状或纤维状填料等不等轴填料能够提供更高的导热系数，因为它们具有更强的交互接触倾向，更有利于形成导热网络。

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图1：取决于填料含量的性能

但是，填料的用量不仅对导热系数产生了影响，而且还对其他性能产生了重大影响（上图1）。更高的填料含量并不能成比例的提高导热系数，同时还伴随着导热塑料加工性能的显著降低。此外，导热填料通常比工程塑料更为昂贵，因此材料成本将随着填料含量的增加而大幅上升。综上所述，在选择导热塑料时应权衡导热系数、加工性能和材料成本之间的关系。就导热塑料而言，“越多越好”的原则并不适用。

填料的导热系数能各不相同

不管是导热塑料，还是从纤维增强塑料的研究结果来看，使用不等轴填料会使部件表现出各向异性的材料性能。因此，这种各向异性是一个依赖加工的值。在加工过程中，作用于填料的流动力对它们的取向产生了显著的影响。因为不等轴填料的导热系数主要体现在优选方向上（如：纤维长度方向），填料取向对成品部件各向异性的导热系数能具有重大的影响。

图2所示为聚酰胺6的导热系数变化，其中已按体积的30%（PA6-Cu30）和40%（PA6-Cu40）添加铜片作为导热填料。我们可以清楚地看到，导热系数——主要是薄壁部件在厚度方向上的导热系数明显比其他方向（流体方向和宽度方向）上要低。

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图2：加工对导热系数的影响

利用传统加工方法生产扁平或框状部件时，填料主要沿着流动方向和宽度方向（图3）取向。尤其是在薄壁部件里，填料很少顺着厚度方向对齐。因此，最优导热系数主要出现在流动方向和宽度方向上。但是，这种填料取向并不适用于所有应用领域。以框状部件为例，其内部热损失主要通过壳壁来消除，即厚度方向。从这一点来看，厚度方向上的高导热系数非常重要。遗憾的是，利用传统加工方法实现的填料取向并非这一应用的理想选择。图2还表明，填料含量的增加仅略微提高了厚度方向上的导热系数，而其代价却是削弱了部件的其他性能（图1）。

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图3：受工艺影响的填料取向

利用新工艺改善性能

如上所述，导热塑料不占优势的各向异性主要受到了加工过程中的流动行为的影响。因此，德国斯图加特大学的Institut für Kunststofftechnik研究中心（IKT）对新的加工方法进行了研究以解除上述限制。例如，一种新型的挤出模具——膨胀模已成功开发，从而使扁平部件的填料在厚度方向上的取向更明显。这种重新取向通过改善模内的熔体流动来实现，并同时造成了剪切流动和拉伸流动的变化。

图4表明，改变的填料取向对厚度方向上的导热系数产生了非常积极的影响。作为导热填料，铜片也在此处按30%、40%和50%的体积加入了聚酰胺6。研究表明，通过膨胀模内改良的工艺控制，无论填料含量多少，厚度方向上的导热系数均比传统加工方式获得的导热系数更高。此外，膨胀模的应用和30%体积含量的填料产生的导热系数比传统加工工艺按50%体积含量的填料产生的导热系数高得多。如上所述，传统加工条件下的填料仅在厚度方向上轻微取向（图3）。因此，填料含量的增加仅略微提高了厚度方向上的导热系数，但却削弱了加工性能等其他性能，并且提高了材料价格。通过膨胀模内更智能的工艺控制，填料基本为垂直取向，从而在厚度方向上获得更高导热系数，即使填料含量较低。这种方式还有可能有助于提高部件性能、优化加工性能并降低材料成本。

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图4：膨胀模内改进的工艺控制提高了导热系数

除了挤出产生的导热系数变化，IKT同时还在研究注塑成型工艺。首批测试表明，在经过改性的智能工艺控制的辅助下，填料在注塑成型过程中也可在厚度方向上实现更明显的取向。因此，IKT正在深入研究其交互作用以及提高导热系数的可能性，巴登-符滕堡州基金会为其提供资金支持。

利用模型进行预测

智能加工方法开发过程中的一个重要步骤是通过建模和仿真对流程进行预测。只有精确了解加工过程中产生的作用，才能对之后的性能下结论，如填料取向和成品部件导热系数。因此，IKT创建了一个新模型用于对导热塑料的性能做出更准确的预测。

片状填料常用于导热塑料，因此研发人员针对广泛使用的Folgar-Tucker模型是否适用于预测片状填料的取向进行了检查，因为Folgar-Tucker模型通常用于预测纤维取向，并且先前仅针对纤维进行了验证。通过调查并对现有的Folgar-Tucker模型进行适配，对片状填料的取向进行精确预测已成为可能（图5）。如果缺少模型适配，预测准确率则会低很多。

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图5：用合适的模型适配精确预测片状填料取向

此外，根据填料取向仿真，IKT还开发了一个模型用于精确计算成品部件在所有方向上的导热系数，从而在早期选择加工方法时即可明确后期将获得的性能。例如，有可能了解加工方式的变化对导热系数的影响。因此，这一预测方式有助于针对性地快速开发新的加工方法，从而进一步提高导热塑料的性能。

结语

只有适当的预测方法才能充分了解一个加工方法是否能够使用智能工艺控制，从而充分利用导热塑料的潜力。遗憾的是，“越多越好”的原则仍被普遍应用，尽管它基本无法显著改善导热性能，相反地，还会明显地提高成本。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/8/2015)


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