隨著電氣電子集成技術迅速發展，電子元件、邏輯電路的體積成千上萬倍地縮小，設備內產生的熱量可能會導致設備的工作溫度急劇增加，從而對設備的使用壽命和性能穩定性產生嚴重的負面影響，器件散熱已成為一個突出問題，故高導熱材料的制備日趨重要。
塑料以其優異的耐化學藥品性、質量輕、便于成型加工、產品設計自由度高等特點，已經廣泛應用于汽車、工業、電子電氣、加熱/冷卻設備等領域。然而，塑料本身的導熱率都很低，目前導熱塑料仍以填充型導熱塑料為主。
一、導熱塑料有哪些類型？
1.合成型導熱塑料
合成具有高導熱系數的聚合物，如具有完整結晶、通過分子實現導熱的聚合物。
2.填充型導熱塑料
通過高導熱填料粒子、纖維、層片等對聚合物進行填充。
填充型導熱塑料又分為兩類：
a.導熱絕緣塑料
導熱系數不高，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.導熱導電塑料
導熱系數可以做到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。
二、導熱塑料的機理
研究表明，物體散熱主要受到材料的熱傳導能力、輻射能力及空氣和散熱器界面的自然對流三個主要因素影響。金屬由于導熱系數大，自然而然成為散熱材料的重要考慮，塑料由于其導熱系數小，所以長時間以來未被看好。不過，隨著復合材料技術的發展，有機復合材料的導熱性能通過改性獲得大幅的提升，并且較金屬材料有著更優良熱輻射能力，綜合的散熱效果也逐步能夠與金屬材料媲美，并體現出更好的經濟適用性。
材料導熱系數與溫差相關。在導熱系數小于5時，屬于熱傳導受限的情況，這種情況下導熱系數很小的變化都會造溫度差很大的變化。常規的塑料導熱系數都在1以下，所以如果用于散熱系統將導致結溫的迅速上升。然而，在導熱系數大于5時，甚至達到10以上時，散熱則轉變為由對流主導、屬對流受限情況，尤其是當散熱材料厚度在5mm及以下的情況下，導熱系數對溫度差的影響趨近于0，材料的導熱系數對芯片結溫的影響大幅減小。
此外，散熱器的功能除了要能快速地把熱量從發熱源傳導出到散熱器的表面，最后還是要靠對流和輻射把熱量轉移到空氣中。雖然金屬本身的導熱能力比塑料好，但是燈具外殼散熱器的主要目的是把熱量散發到空氣中。導熱系數高，只解決了熱傳導的問題，而散熱則主要由散熱面積、散熱界面形狀、自然對流和熱輻射的能力決定，這些幾乎和材料的導熱無關。
所以有機塑料只要具備了一定大小的熱傳導能力，加上較好的熱輻射能力，同樣可以成為良好的散熱解決方案。也就是說，如果熱量從熱源到塑料散熱器表面的距離小于5mm，那么只要散熱器材料的導熱系數大于5時，有機塑料在散熱能力方面較金屬材料的差別也就不再那么顯著，使得實現金屬替代成為可能。
金屬填料的導熱機理
金屬填料的導熱主要是靠電子運動進行導熱，電子運動的過程伴隨著熱量的傳遞。
非金屬填料的導熱機理
非金屬填料導熱主要依靠分子導熱，其熱能擴散速率主要取決于鄰近原子或結合基團的振動。包括金屬氧化物、金屬氮化物以及碳化物。
三、導熱填充塑料的改性方法
導熱塑料主要成分包括基體材料和填料；基體材料包括PPS、PA6/PA66、LCP、TPE、PC、PP、PPA、PEEK等；填料包括AlN、SiC、Al2O3、石墨、纖維狀高導熱碳粉、鱗片狀高導熱碳粉等。
應用于填充型導熱塑料的導熱填料按照其導電性可分為絕緣導熱填料及非絕緣導熱填料。其中，絕緣導熱填料主要包括氧化物、氮化物和碳化物填料；而非絕緣導熱填料主要包括各類金屬粉末及石墨、炭黑等。
填料種類
金屬粉末填料：銅粉、鋁粉、鐵粉、錫粉、鎳粉等。
金屬氧化物：氧化鋁、氧化鉍、氧化鈹、氧化鎂、氧化鋅。
金屬氮化物：氮化鋁、氮化硼、氮化硅。
無機非金屬：石墨、碳化硅、碳纖維、碳納米管、石墨烯、碳化鈹等。
導熱塑料的散熱情況
1.氮化物
氮化物通常具有導熱系數高、耐高溫、電絕緣性能好等優點，可在不降低材料電絕緣性能的情況下提高塑料的導熱系數，但其缺點是價格偏高，限制了它在塑料中的廣泛應用。被用做導熱填料的氮化物主要有氮化硼（BN）、氮化硅（Si3N4）以及氮化鋁（AlN）等，它們的導熱系數可達200～300 W／（m·K）。
2.碳化物
碳化硅可分為六方晶系（α-SiC）和立方晶系（β-SiC），其導熱系數為80~120 W／（m·K），是性能優良的導熱填料，同時還具有耐高溫、高模量、抗氧化性好等優點，被應用于微電子封裝材料中。碳化硼（B4C）也是一種耐高溫材料，具有極高的硬度與導熱系數，但昂貴的價格導致其在導熱塑料中的應用較少。
3.氧化物
氧化物填料主要包括氧化鋁（Al2O3）、氧化鋅（ZnO）及氧化鎂（MgO）等，雖然它們的導熱系數不如氮化物與碳化物的高，一般在30~50 W／（m·K）之間，但也遠高于聚合物基體，并且電絕緣性能優良，特別是其來源廣泛，價格低廉，具有市場競爭力，是制備絕緣導熱塑料的常用填料。
4.金屬粉末
通常金屬粉末都具有極高的導熱系數，可達100~400W/（m·K），是良好的導熱填料，但由于金屬系填料的傳熱方式為電子導熱，電絕緣性能差，因而限制了其在電絕緣性要求嚴格的電子工業領域中的應用。
5.新型碳材料
石墨、碳納米管、金剛石等新型碳材料也具有極高的導熱系數，碳納米管與金剛石的導熱系數可達1000W/（m·K）以上，但由于其成本極其昂貴，還未被大規模使用，并且碳系填料的加入通常會使制品的顏色變黑，在淺色制品應用中會受到限制。
四、改性影響因素分析
1.填料填充量的影響
導熱填料的填充量與復合材料的導熱性密切相關。當填料含量較低時，無法形成有效的導熱網絡，對材料導熱性的改善效果不明顯。隨著填料含量的增加，材料內部開始形成并完善導熱網絡，從而大幅提高材料的導熱系數。
當然，導熱材料的添加量不是越大越好，添加量存在一個臨界值，在臨界值之下，導熱材料形成不了導熱網絡，導熱系數增加很慢；達到臨界值時，導熱材料網絡形成，導熱系數突然增加；超過臨界值后，導熱系數增加緩慢；因此，最佳添加量為最大臨界值。通常在在PA,PP,PES中，添加一部分的氧化鎂，能大大改善塑料的導熱性，也使得氧化鎂在導熱塑料的應用方面展現了突出的使用效果。
2.填料形狀尺寸的影響
導熱填料的形狀影響導熱網絡的形成，從而影響材料的導熱性。當只有單一填料時，提高填料的長徑比可以促進填料之間的相互接觸，有利于形成連續的導熱網絡。此外，按一定比例同時添加長徑比大的和長徑比小的導熱填料比單一填料更能提高復合材料的導熱系數；向大粒徑填料中復配少量小粒徑同種或異種填料也可以較好地提高復合材料的導熱系數。
3.導熱填料表面處理
導熱填料與樹脂基體間的界面相容性很差，這不僅影響材料的導熱性能，還影響材料的力學性能。用偶聯劑處理不僅可以有效地去除兩者間的界面缺陷，還可以改善填料的分布狀況，從而提高材料的導熱系數和力學性能。但是，過量的偶聯劑也會在導熱填料和樹脂基體間形成“壁壘”，阻礙熱量傳遞，從而降低材料的導熱系數。
