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解读| 导热塑料的现状与发展趋势

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2018-08-16 作者:靳涛 来源:电子游艺照明网 浏览量: 网友评论: 0
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摘要: 导热塑料作为一种全新的材料,已经开始在市场上得到广泛应用,其导热性能可以代替部分以铝材加工而成的散热器、外壳等,其特点为比重轻,易成型,成本低。

作者:靳涛

东莞市普万光电散热科技有限公司总经理

《2018电子游艺照明产业调研白皮书》顾问

  在生产制造业中,常会用到与散热相关的材料。导热散热材料的范围其实很宽,它包含有金属、硅脂、塑料等固体、液体、气体不同介质,其中塑料类导热材料主要为高分子导热塑料。高分子导热材料目前已形成比较完备的分类如: 导热橡胶、导热塑料、导热胶粘剂等。在塑料工业中,导热塑料可以替代金属材料用于制造与电子元器件相接触的零部件,可以为电子元器件提供良好的散热及绝缘功能。

  导热塑料作为一种全新的材料,已经开始在市场上得到广泛应用,其导热性能可以代替部分以铝材加工而成的散热器、外壳等,其特点为比重轻,易成型,成本低。具有塑料优异的成型加工条件,同时导热塑料具有更低的密度,更低的成本,可以替代金属应用于多种应用场合下的散热部件,引领着散热部件向更轻量化、更环保迈进。

  导热塑料分为两大类,导热导电塑料和导热绝缘塑料。

  导热绝缘型塑料又分为:一般将导热系数高于1 W/m-k的塑料称为导热塑料;将5-10 W/m-k的称为高导热塑料;将高于10 W/m-k的称为超高导热塑料,简称超导塑料。

  金属填料的导热机理

  金属填料的导热主要是靠电子运动进行导热,电子运动的过程伴随着热量的传递。

  非金属填料的导热机理

  非金属填料导热主要依靠声子导热,其热能扩散速率主要取决于邻近原子或结合基团的振动。包括金属氧化物、金属氮化物以及碳化物。

  可以应用于导热塑料的基材有:PP、PC、PA、PPs、PEEK、LCP等。典型的热传导系数在1—20W/m-k. 这一数值大约是传统塑料的5-100倍。PP在未经改性之前,传导系数通常在0.2 W/m-k。

  导热塑料因其具有较高的耐屈挠性和拉伸刚度,可主要用于代替一些对制件尺寸有严格要求的电子组件、光学组件、机械组件和医用组件的金属或陶瓷制件。把塑料成型的简易性与优异的热传导性相结合,可以通过注射成型实现某些金属或陶瓷一样的热传递能力。同时,这一新型材料可以为设计师提供更多的设计自由度,而且制件的重量只有铝制品的一半。利用导热塑料加工可缩短成型周期20%- 50%。

  与铝材等金属材质相比,其优点在于:

  1、 绿色环保:

  符合 RoHs 认证;2相对金属更低的浪费

  2、 安全:

  电绝缘性;防止电击;低产品安全认证成本

  3、设计自由:

  重量较金属轻视40%;设计灵活度高;表面较金属可更美观;优异的体积和快速的生产周期

  4、阻燃级:阻燃通常可达UL94-V0级

  5、机械性能:低CTE提高尺寸稳定性,降低尺寸收缩率;

  6、应用领域:LED散热器、变压器线骨圈、汽车照明零部件等电子领域;

  用好的导热塑料取代铝合金,还具有以下技术优势:

  1、导热塑料绝缘耐高压,能有效避免用铝合金作为散 热体所需要做的大量而昂贵的,符合安规标准的安全电源。

  2、导热塑料材质能采用多种最新的电源设计方案:非隔离电源(提升LED灯的功率因素和电源效率);交流直接芯片驱动(无需电器元器件而直接采用IC进行LED灯驱动,大幅提升LED整灯寿命);高压灯珠方案(减少低流量,大幅降低LED整灯价格)

  由于铝合金非绝缘的特性,这些最新、效率最高、成本最低的LED方案,都无法在铝合金散热的基础上实现。

  目前市场应用中,最常见为导热塑料PA及普通塑料PBt两种作为LED室内散热器替代金属铝材的重要塑料材质。

  那么,铝材、导热尼龙与PBT三者相比,性能如何?

  LED的散热问题一直是掣肘LED发展的最关键问 题,因为LED光电转换效率大约只有 20% ~ 30%,大约70% ~ 80%的电能主要以非辐射复合发生的点振动的形式转化为热能;

  发展的必然性:传统的铜、铝等材质在导热效果、重量、安全性、低碳环保等方面都面临严峻考验,高性能散热材料市场需求将激增。

  性能优势对比

  使用遮光 PBt 生产常见问题

  溢料飞边、气泡、缩痕、熔接痕、烧焦及黑纹、银丝及 斑纹、表面划痕、表面雾状及花纹、杂质、光泽不良、龟裂 泛白、脆裂、分层剥离、翘曲变形、脱模不良、模具严重腐蚀。 二次使用物性降解高达50%。

  PBt性能缺点

  (1) 结晶收缩率大,尺寸稳定性差。容易发生翘曲,同时使无缺口冲击强度下降;

  (2) 对缺口敏感。由于PBt存在着这两个突出缺点,因而限制了它的应用。

  另PBT基础树脂不具备防火阻燃性能,很多商家为了降低材料成本,常不添加阻燃剂,一些逐利厂家盲目追求低价,只要价格便宜便忽略防火问题。这一现象将产生重大隐患,大量非合格产品流入市面。

  近年导热塑料研究、应用技术的重要进展之一,是将它即保留原有的绝缘性、耐热性、又新赋予其高导热性的功能。国外对导热高分子材料的研究大约起源于20世纪80年代(国内从 20 世纪末才开始有零星相关研究报道),20世纪90年代以来,世界上建立导热高分子复合材料热导系数推测的数学模型研究工作,取得一定进展,从而推动了导热性高分子材料制造技术与应用的发展。

  由于高分子基体材料中基本上没有热传递所需要的均一致密的有序晶体结构或载荷子。因此导热性能相对较差。为了提高材料的导热性,可以通过两种途径来解决:1、是制备结构型导热高分子材料;2、是通过向基体材料中添加导热填料的方法来制备导热高分子材料。

  作为导热填料来讲,无论以粒状、片状还是纤维状的形式存在,导热性能都需高于基体本身的性能。当导热填料的填充量很小时,导热填料之间不能形成真正的接触和相互作用,这对高分子材料导热性能的提高几乎没有意义。只有当高分子基体中,导热填料的填充达到某一临界值时,导热填料之间才有真正意义上的相互作用,体系中才能形成类似网状或链状的形态即导热网链。当导热网链的取向与热流方向一致时,导热性能提高很快。

  导热塑料在诸多领域都有着重要的应用价值。导热塑料的高强度,重量比,易成型及耐腐蚀性目前虽然已经在很多领域取代了金属,但金属仍然在导热领域占据主导地位。也许有一天,通过技术研究的不断突破,实现超导塑料的量产稳定性,您家中的暖气片、空调散热机、冰箱散热器、电视、电脑散热器,甚至热水管都会被导热塑料取而代之。

  尽管导热塑料在市场中还未成为主流,但已有了长足的发展。许多特殊导热场合希望其导热材料具有优良的综合性能,如质轻、耐化学腐蚀性强、电绝缘性优异、耐冲击、加工成型简便等,而这些是传统的金属和金属氧化物以及其他非金属材料无法达到的。随着科技的不断进步,人们对绿色能源材料的关注度也在不断提高。环保、轻量化将成为趋势。导热塑料也必将在未来某些领域起到不可替代的作用。

  其实导热性能最好最佳的材料不一定就是最好的导热材料。我们应该要把产品的结构、散热要求、产品性能要求等等纳入导热材料选择的范畴中。因为不需最好的导热材料,只需最适合产品的导热材料。


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