引言
热塑性材料具有易于加工成各种形状、成本效益高及性能组合自由度高等优点。然而，其有限的导热系数在某些需要热管理的应用（如电子产品）中可能成为问题。直接接触电子部件的部分需具备电气绝缘性，但进一步的冷却装置则不一定需要。因此，本研究旨在通过添加颗粒提高选定塑料的导热系数，并使用Hot Disk TPS 2200评估这些变化。
材料与方法
本研究选用聚丙烯均聚物（PP）、聚酰胺（PA）及聚碳酸酯（PC）作为基础聚合物，均为注塑级通用材料。填充物包括铝粉（200-800μm）、铜粉（100-250μm）及石墨粉（5-20μm）。铝粉最粗，铜粉次之，石墨粉最细。
图1. 图中展示了本研究使用的三种材料——铝粒（左）、铜粒（中）和石墨粉（右）。请注意，这三种材料的比例尺不同
这些填充物与不同聚合物以0-50重量百分比的比例混合，采用同向双螺杆挤出机进行加工。所得颗粒经干燥后，被模制成通用测试试样。从这些试样中取出的部分（肩部）被用来夹持Hot Disk TPS 2200传感器的探头，以进行导热系数测量（见图2）。
图2：挤出熔体条（左），含石墨颗粒（左中），注塑测试样本（右中），Hot Disk测量装置（右）。
结果
在室温下测量了不同样品的导热系数。每个样品均进行了三次重复测试。特别注意确保样品表面清洁，且顶针痕迹位于反面。该组样品的测试结果可见图3。
图3：Hot Disk TPS 2200导热系数测量结果示例。
这些测量结果随后被绘制成不同聚合物与填料体积分数（因为此类复合材料的性能总是与体积分数相关）的对比图。此外，为了更好地比较，导热系数与未填充聚合物（也使用Hot Disk测量）的值进行了关联。PP和不同填料的结果如图4所示。随着填料含量的增加，导热系数也在增加。未填充PP的导热系数为0.23 W/m K，而铜、铝和石墨的导热系数均超过100 W/m K。导热系数最初呈线性增长，但随着粒子间相互作用的增加，增长趋势变陡（图5），这是由于热传导路径中的聚丙烯（PP）阻隔层减少，从而提升了导热性能。值得注意的是，石墨的改善效果优于金属粉末，这归因于石墨的形状和尺寸。石墨为片状且尺寸较小，具有更高的比表面积，因此效果更佳。
图4：PP基复合材料的导热系数与填料类型和含量的关
图5：PP样品的横截面包含12 Vol.%（左）和33 Vol.%（右）的铝；（在这些图片中，来自深层的铝颗粒反射光线，因为PP是半透明的，从而产生发光效果）。
观察不同聚合物中的不同填料，如图6所示，总体趋势与聚丙烯（PP）相同。随着填料含量的增加，经过初期增长后趋势变陡，这归因于上述的粒子间相互作用。在可比体积分数下，石墨因具有比更“球形”的铜和铝粒子更高的比表面积而表现更佳。值得注意的是，若仔细观察不同的石墨复合材料，会发现聚碳酸酯（PC）和聚酰胺（PA）基复合材料比聚丙烯（PP）基复合材料具有更高的导热系数。我们推测这可能是由于基质对石墨的润湿作用更好，PC和PA因其化学性质（如能形成氢键）而在这方面优于PP。
图6：所研究的复合材料中的导热系数与填料类型、含量和聚合物基质的关系。
采用Hot Disk方法，我们拥有了一种表征不同颗粒填充热塑性材料导热系数的工具。结果显示，通过精确的材料组合，这些系统的导热系数可提高至原来的十倍。例如，石墨含量达到20重量%（约等于11体积%）时，聚碳酸酯（PC）的导热系数为1.48 W/m·K，聚酰胺（PA）为1.16 W/m·K（而两种基础聚合物的导热系数约为0.23 W/m·K）。这些数值对于冷却应用具有重要意义。研究发现，石墨因其优异的颗粒尺寸表现更佳；同时，含有官能团的聚合物与填料之间的相互作用更为有利。
撰写人:
Dr. Christoph Burgstaller (Transfercenter für Kunststofftechnik GmbH)