导热填料主力大军——氧化铝
2020-12-22 08:49:32
导热填料即是添加在基体材料中用来增加材料导热系数的填料。较为常用的导热填料有氧化铝、氧化镁、氧化锌、氮化铝、氮化硼、碳化硅等，其中，运用最广的为微米级氧化铝及硅微粉。
在实际运用中，纳米氧化铝、氮化物多做为高导热领域的填充粉体;而氧化锌大多做为导热膏(导热硅脂)填料用；纤维状高导热碳粉、鳞片状高导热碳粉等则多用在航空航天、LED、精密电子仪器等特殊领域。
而今天我们就重点来讲讲，导热填料的主力大军——氧化铝。
导热填料氧化铝氧化铝具有导热、绝缘等优点，可作为导热填料用于制备导热绝缘胶、灌封胶等高分子材料。与其他填料相比，虽然氧化铝的导热率不高，但也基本能满足“导热界面材料、导热工程塑料以及铝基覆铜板等领域填充剂”的应用。且氧化铝价格较低，来源较广，是高导热绝缘聚合物的经济适用型填料。
导热氧化铝是高温条件下生成的白色粉末结晶，其结晶粉末众多，用于导热的氧化铝有球形氧化铝、类球形氧化铝、复合型氧化铝等。导热氧化铝必须具有粒径分布窄，粒径尺寸稳定性好，导热系数K值高，偶联改性后填充份数高等特性。一般来说，如果能够将导热氧化铝的平均粒径控制在合理的范围内，根据不同的填充量，导热系数可以达到3-10W/（m*K）之间。
球形氧化铝
导热氧化铝可广泛应用于硅胶，灌封胶，环氧树脂，塑料、橡胶导热、导热塑料、硅脂、散热陶瓷等不同材料中。在实际应用中，Al2O3粉体填料可以单独使用也可以与其他填料例如AIN、BN等混合使用。
氧化铝导热填料的各种运用领域
氧化铝表面改性由于氧化铝表面极性较强，在聚合物中难以均匀分散；加之其本身热导率不高，需要高填充量才能获得较好的导热性能，这便会导致复合材料黏度增大而难以满足施工流动性要求，同时也大幅降低了其力学性能，使其应用范围受到限制。氧化铝粒子和有机树脂基体界面间相容性很差，氧化铝粒子极易团聚，很难均匀地分散到高分子基体中。且氧化铝粒子与有机树脂的表面张力差异不同，使得高分子基体很难润湿粒子表面，从而导致二者界面处存在空隙，增加了复合材料的界面热阻。
如何降低氧化铝颗粒之间的团聚，改善氧化铝粉体与高分子基体的界面相容性，提高它们在高分子基体中的分散性，从而获得性能优异的复合材料，就成为氧化铝在填充材料领域中应用的关键性问题。
利用有机表面改性剂分子中的官能团在颗粒表面吸附或化学反应对颗粒表面进行改性，有目的地改变粉体表面的物理化学性质，如表面能、表面极性等，便是解决氧化铝粉体分散性差这一难题的杀手锏。
目前，普通氧化铝的表面改性剂以传统的硅烷偶联剂为主。但短链硅烷偶联剂作表面改性剂时，对热导率的提高效果有限。因此，为了克服短链硅烷偶联剂作表面改性剂时存在的缺陷，可采用十六烷基三甲氧基硅烷对氧化铝进行表面改性。
改性前后的对比图
经该硅烷偶联剂改性后，氧化铝粉体分散均匀，颗粒无明显团聚现象存在，粉体棱角减少；而未改性氧化铝颗粒团聚较多，粉体形貌也较粗糙。据分析，改性氧化铝分散性提高可能是因为氧化铝表面包覆一层硅烷偶联剂后，表面极性降低；改性氧化铝表面形貌的改变可能是因为改性时机械力的作用，导致氧化铝表面棱角减少，变得圆滑，降低氧化铝表面极性、提高其与硅橡胶相容性的目的。
中铝郑州研究院亦采用特定偶联剂改性方法开发出适用于灌封胶用的导热填料氧化铝。该偶联剂可以明显的降低填料氧化铝的吸油值，相对于未表面处理的填料氧化铝，经偶联剂表面处理后填料氧化铝的吸油值可以降低10%-30%。表面处理后的填料氧化铝粉体分散性较好，颗粒无明显团聚现象存在，粉体棱角减少，可以改善复合材料的性能，使体系的界面相互作用增强，提高复合材料的力学性能。
参考文献：
导热填料氧化铝的表面处理研究，中国铝业郑州有色金属研究院有限公司，贾春燕，李东红，杨双凤。
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