導(dǎo)熱塑料：介紹、分類、機(jī)理、選購(gòu)和應(yīng)用大全！

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表：常見(jiàn)塑料和填料的導(dǎo)熱率

如上表所示，典型的高分子材料的導(dǎo)熱系數(shù)很低，一般0.2-0.46W/(m.K)左右；而金屬材料、金屬化合物導(dǎo)熱性能很好（導(dǎo)熱性能的好壞主要用導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)衡量）。

在實(shí)際應(yīng)用如LED燈中，其燈座需要材料量輕、絕緣且易散熱，導(dǎo)熱塑料結(jié)合了金屬和典型塑料的優(yōu)點(diǎn)，其導(dǎo)熱系數(shù)一般為2-20W/(m.K)，某些特殊品級(jí)導(dǎo)熱塑料的導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)50W/(m.K)或更高，最高可達(dá)100W/(m.K)，特別適合應(yīng)用在LED燈座等類似環(huán)境中?；貜?fù)“導(dǎo)熱”查看更多文章

一、什么是導(dǎo)熱塑料？

從字面意思很好理解，導(dǎo)熱塑料既是具有良好導(dǎo)熱性能的塑料。那么如何實(shí)現(xiàn)塑料具有良好的導(dǎo)熱性？簡(jiǎn)單的說(shuō)，導(dǎo)熱塑料是以通用塑料或工程塑料為基材，將高導(dǎo)熱復(fù)合材料添加在塑料基材中共混復(fù)合、通過(guò)熱傳導(dǎo)改性而成的新型高性能塑料。

圖：導(dǎo)熱塑料應(yīng)用于LED燈座

導(dǎo)熱塑料的主要組成包括：

主要基體材料:PPS、PA6/PA66、LCP、TPE、PC、PP、PPA、PEEK 等

主要填料:AlN、SiC、Al2O3、Mg(OH)2、石墨等

導(dǎo)熱塑料憑什么能秒殺鋁材？

首先是好用：外殼為鋁合金時(shí)，由于外殼導(dǎo)電，內(nèi)部必須采用隔離啟動(dòng)系統(tǒng)；而絕緣導(dǎo)熱型塑料可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，制造方便。

其次是便宜：單位質(zhì)量的導(dǎo)熱塑料價(jià)格高于鋁，但系統(tǒng)成本卻持平或較低，且數(shù)量越大，塑料的成本優(yōu)勢(shì)越明顯。這是因?yàn)?/span>導(dǎo)熱塑料采用注塑成型工藝，一次成型無(wú)需后續(xù)加工，而且在注塑成型時(shí)，模具可設(shè)計(jì)為一出四，所以工作效率很高，加工成本低。而鋁材，如壓鑄鋁：需要經(jīng)澆鑄、壓鑄、打磨、拋光、鍍、氮化的一系列技術(shù)；加工周期長(zhǎng)、加工成本高。

最后是輕?。狠p是不用過(guò)多介紹了，導(dǎo)熱塑料比鋁材輕 40-50%；薄是由于塑料本身的高流動(dòng)性可以注塑得到更薄、更復(fù)雜的制品，從而既增加了其散熱性能，又增加其可設(shè)計(jì)性、節(jié)約成本。

二、導(dǎo)熱塑料有哪些常見(jiàn)的類型？

一般而言，塑料導(dǎo)熱性能不好，通過(guò)化學(xué)合成或物理共混金屬材料等可以顯著提高其導(dǎo)熱性。故導(dǎo)熱塑料主要包括：合成型和填充型。

1.合成型導(dǎo)熱塑料

合成具有高導(dǎo)熱系數(shù)的聚合物，如具有完整結(jié)晶、通過(guò)聲子實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱的聚合物。

2.填充型導(dǎo)熱塑料

通過(guò)高導(dǎo)熱填料粒子、纖維、層片等對(duì)聚合物進(jìn)行填充。填充型導(dǎo)熱塑料又可分為兩類：

A.導(dǎo)熱絕緣塑料

?導(dǎo)熱系數(shù)不高，1.5W/m.k 左右；

?主要填料包括金屬氧化物 Al2O3、MgO、SiO2，金屬氮化物 AlN、Si3N4、BN 及 SiC 、B4C3等。

B.導(dǎo)熱導(dǎo)電塑料

?導(dǎo)熱系數(shù)可以做到5.0W/m.k或更高；

?主要填料包括金屬粉/ 纖維、石墨、碳纖維、CNT、石墨烯等。

三、填充型導(dǎo)熱塑料的導(dǎo)熱機(jī)理

目前，填充型導(dǎo)熱塑料占據(jù)主要市場(chǎng)，我們重點(diǎn)看看它的機(jī)理是怎樣的？

對(duì)于填充型導(dǎo)熱塑料來(lái)說(shuō)，其導(dǎo)熱性能取決于聚合物和導(dǎo)熱填料的相互作用，填料種類不同其導(dǎo)熱機(jī)理不同。金屬填料是靠電子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行導(dǎo)熱；絕緣填料主要靠聲子導(dǎo)熱，其熱能擴(kuò)散速率主要取決于鄰近原子或結(jié)合基團(tuán)的振動(dòng)。

圖：導(dǎo)熱導(dǎo)電型材料導(dǎo)熱機(jī)理

金屬填料是靠電子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行導(dǎo)熱，從而具有較高的熱傳導(dǎo)性。

圖：導(dǎo)熱絕緣型材料導(dǎo)熱機(jī)理

絕緣填料主要靠聲子導(dǎo)熱，其熱能擴(kuò)散速率主要取決于鄰近原子或結(jié)合基團(tuán)的振動(dòng)。

另外，影響填充型塑料導(dǎo)熱性能的還有：填料種類、填料形體和粒徑、填料含量、填料表面處理方式、導(dǎo)熱塑料導(dǎo)熱機(jī)理。

四、常見(jiàn)導(dǎo)熱材料的優(yōu)缺點(diǎn)分析

1、氮化鋁AlN

優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)熱系數(shù)非常高。

缺點(diǎn)：價(jià)格昂貴，通常每公斤在千元以上；氮化鋁吸潮后會(huì)與水反應(yīng)會(huì)水解AlN+3H20=Al(OH)3+NH3 ，水解產(chǎn)生的Al(OH)3會(huì)使導(dǎo)熱通路產(chǎn)生中斷，進(jìn)而影響聲子的傳遞，因此做成制品后熱導(dǎo)率偏低。即使用硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行表面處理，也不能保證100%填料表面被包覆。單純使用氮化鋁，雖然可以達(dá)到較高的熱導(dǎo)率，但體系粘度極具上升，嚴(yán)重限制了產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。

2、氮化硼B(yǎng)N

優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)熱系數(shù)非常高，性質(zhì)穩(wěn)定。

缺點(diǎn)：價(jià)格很高，市場(chǎng)價(jià)從幾百元到上千元（根據(jù)產(chǎn)品品質(zhì)及粒徑大小不同價(jià)格差別較大），雖然單純使用氮化硼可以達(dá)到較高的熱導(dǎo)率，但與氮化鋁類似，大量填充后體系粘度極具上升，嚴(yán)重限制了產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。

3、碳化硅SiC

優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)熱系數(shù)較高。

缺點(diǎn)：合成過(guò)程中產(chǎn)生的碳及石墨難以去除，導(dǎo)致產(chǎn)品純度較低，電導(dǎo)率高，不適合電子用膠。密度大，在有機(jī)硅類膠中易沉淀分層，影響產(chǎn)品應(yīng)用。環(huán)氧膠中較為適用。

4、氧化鎂MgO

優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格便宜。

缺點(diǎn)：在空氣中易吸潮，增粘性較強(qiáng)，不能大量填充；耐酸性差，一般情況下很容易被酸腐蝕，限制了其在酸性環(huán)境下的應(yīng)用。

5、α-氧化鋁（針狀）

優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格便宜。

缺點(diǎn)：添加量低，在液體硅膠中，普通針狀氧化鋁的最大添加量一般為300份左右，所得產(chǎn)品導(dǎo)熱率有限。

6、α-氧化鋁（球形）

優(yōu)點(diǎn)：填充量大，在液體硅膠中，球形氧化鋁最大可添加到600~800份，所得制品導(dǎo)熱率高。

缺點(diǎn)：價(jià)格較貴，但低于氮化硼和氮化鋁。

7、氧化鋅ZnO

優(yōu)點(diǎn)：粒徑及均勻性很好，適合生產(chǎn)導(dǎo)熱硅脂。

缺點(diǎn)：導(dǎo)熱性偏低，不適合生產(chǎn)高導(dǎo)熱產(chǎn)品；質(zhì)輕，增粘性較強(qiáng)，不適合灌封。

8、石英粉（結(jié)晶型）

優(yōu)點(diǎn)：密度大，適合灌封；價(jià)格低，適合大量填充，降低成本。

缺點(diǎn)：導(dǎo)熱性偏低，不適合生產(chǎn)高導(dǎo)熱產(chǎn)品。密度較高，可能產(chǎn)生分層。

綜上，不同填料有各自特點(diǎn)，選擇填料時(shí)應(yīng)充分利用各填料的優(yōu)點(diǎn)，采用幾種填料進(jìn)行混合使用，發(fā)揮協(xié)同作用，既能達(dá)到較高的熱導(dǎo)率，又能有效的降低成本，同時(shí)保障填料與有機(jī)硅基體的混溶性。

圖：導(dǎo)熱塑料應(yīng)用于照明領(lǐng)域（圖片來(lái)源于深圳華力興）

五、選購(gòu)導(dǎo)熱塑料需要注意哪些？

面對(duì)眾多的導(dǎo)熱塑料供應(yīng)商，如何更合理地挑選高性價(jià)比的產(chǎn)品，以下幾大材料性能尤其值得關(guān)注：

1. 導(dǎo)熱系數(shù)

作為關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，目前各個(gè)廠家的材料，導(dǎo)熱系數(shù)是最受用戶關(guān)注的。而測(cè)試導(dǎo)熱系數(shù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)卻各不相同，有ASTM E1530、ASTM E1461等等。即使在同樣的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)下，測(cè)試手段又有所不同，比如有平板法，激光法，在不同的測(cè)試手段情況下，最后的測(cè)試結(jié)果誤差范圍是完全不同的。通常激光法的精度要比平板法高，而激光法涉及的設(shè)備基本依賴進(jìn)口，價(jià)格昂貴。

2. 材料流動(dòng)性

通常會(huì)用熔融指數(shù)來(lái)表示。流動(dòng)性好的導(dǎo)熱材料，其成型比較容易，生產(chǎn)較為順暢?；诹鲃?dòng)性高的導(dǎo)熱塑料，散熱器的壁厚可以設(shè)計(jì)比較薄，通常為1-1.2mm, 由于薄的壁厚又會(huì)造成散熱路徑的縮短，從而提高散熱效果。同時(shí)，較薄的壁厚又會(huì)減低材料的克重，降低材料成本。如果是流動(dòng)性差的材料，通常不太容易注塑成形，而且會(huì)容易損壞模具，增加模具維護(hù)費(fèi)用。

3. 成型收縮率

通常在厚度為3mm 條件下，合格的成型收縮率應(yīng)該在0.5%以下，大于0.8%會(huì)對(duì)散熱器尺寸精度產(chǎn)生不利影響。成型收縮率應(yīng)越小越好。如選用較高成型收縮率的材料，將不得不增加壁厚來(lái)彌補(bǔ)。

4. 機(jī)械性能

導(dǎo)熱塑料散熱器的機(jī)械強(qiáng)度取決于幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo): 懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度，彎曲強(qiáng)度，通?？梢员容^不同材料的指標(biāo)，指標(biāo)數(shù)值越大越好。機(jī)械性能優(yōu)異的導(dǎo)熱塑料，可以在散熱器結(jié)構(gòu)中加入卡扣設(shè)計(jì)，使得PC罩或透鏡與散熱器的接口通過(guò)卡扣來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而避免完全依賴粘膠來(lái)固定。粘膠的問(wèn)題在于：需要固化時(shí)間，延長(zhǎng)交貨時(shí)間，同時(shí)膠水在高溫下容易霧化，影響出光效果。

5. 阻燃特性

關(guān)鍵有兩點(diǎn)，第一、是否符合UL94 V0 阻燃等級(jí)，對(duì)出口美國(guó)市場(chǎng)會(huì)比較關(guān)鍵，第二，是否無(wú)鹵素阻燃，簡(jiǎn)單的說(shuō)，阻燃劑中不要含有鹵素，否則材料的環(huán)保等級(jí)會(huì)下降，較難通過(guò)歐洲RoHS, REACH 指令。回復(fù)“RoHS”查看更多文章

6. 絕緣特性

導(dǎo)熱塑料的一個(gè)好處是絕緣安全性，如果注塑好的散熱外殼，可以承受3500V以上的高壓，那過(guò)安規(guī)測(cè)試應(yīng)該很容易。匹配這樣的絕緣外殼，可以選用的燈板、電源方案可以比較靈活，包括：高壓線性燈珠+高壓線性電源，非隔離電源+中功率燈珠。具體的參數(shù)可以參考介電強(qiáng)度。

7. 熱膨脹系數(shù)

如果在散熱器結(jié)構(gòu)中采用塑包鋁的結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮外層導(dǎo)熱塑料和內(nèi)層鋁合金的膨脹系數(shù)差異，鋁合金的熱膨脹系數(shù)為：0.000024 mm/mm*k，導(dǎo)熱塑料的膨脹系數(shù)應(yīng)在相同的數(shù)量級(jí)別，否則會(huì)造成不能同步熱脹冷縮，導(dǎo)致散熱器外殼開(kāi)裂。

六、導(dǎo)熱塑料的應(yīng)用有哪些？

圖：電池外殼

>> 電池外殼

? 降低電池表面溫度,提高安全性 ；

? 延長(zhǎng)電池壽命 ；

? 縮短電池充電時(shí)間 。

圖：LED燈罩（圖片來(lái)源于中廣核俊爾）

>>LED 燈罩

? 減輕 LED 燈重量,提高安全性 ；

? 降低 LED 燈溫度,提高燈光質(zhì)量,延長(zhǎng)燈的壽命；

? 更加環(huán)保低碳 。

圖： 馬達(dá)線圈骨架（左）和電動(dòng)工具外殼 （右）

>> 馬達(dá)線圈骨架

? 降低骨架溫度,提高可靠性

? 延長(zhǎng)使用壽命

>> 電動(dòng)工具外殼

? 降低外殼表面溫度,提高舒適性和安全性；

? 延長(zhǎng)工具使用壽命 。

圖：導(dǎo)熱塑料應(yīng)用于照明領(lǐng)域（圖片來(lái)源于深圳華力興）

七、全球知名的導(dǎo)熱塑料供應(yīng)商有哪些？

巴斯夫（德國(guó)）、科思創(chuàng)（前拜耳材料科技，德國(guó)）、圣戈班（法國(guó)）、東麗（日本）、帝斯曼（荷蘭）、海拉胡克股份公司（德國(guó)）、RTP公司（美國(guó)）、賽拉尼斯（美國(guó)）、普立萬(wàn)（美國(guó)）、鐘化（日本）、三菱工程塑料（日本），如果您也是導(dǎo)熱塑料供應(yīng)商，請(qǐng)?jiān)谠u(píng)論處為自己代言！

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