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由含有各向異性導(dǎo)熱填料的塑料化合物制成的部件表現(xiàn)出了取向性導(dǎo)熱系數(shù)以及各向異性的材料性能。通過改變填料的取向，一種創(chuàng)新的工藝有助于提升部件的導(dǎo)熱系數(shù)并優(yōu)化部件的性能。

手機(jī)殼體等技術(shù)產(chǎn)品需要一個整體的熱量管理方案（圖片來源：IKT）

各個行業(yè)對電氣和機(jī)電系統(tǒng)不斷增長的需求——尤其是微型化的趨勢促使人們開始尋求新的熱管理概念。受到微型化的影響，可用空間以及模塊里的空氣都在相應(yīng)減少，通風(fēng)機(jī)等主動冷卻部件也被摒棄。有一種方法可以滿足這些新需求，那就是使用塑料部件殼體來消除熱量。

一、導(dǎo)熱填料并非越多越好

塑料本身具有低導(dǎo)熱系數(shù)，因此常需要使用導(dǎo)熱添加劑以制成導(dǎo)熱材料。除了功能集成，導(dǎo)熱塑料還具備一個金屬材料（盡管它們具有良好的導(dǎo)熱系數(shù)能）所不具備的特殊性能——電絕緣性能。這種優(yōu)勢的組合和塑料部件的高設(shè)計自由度為技術(shù)部件的熱管理提供了新的方法。

同時，導(dǎo)熱塑料可從市場上的多個供應(yīng)商處獲得，其導(dǎo)熱系數(shù)大多位于1-20W/mK之間。調(diào)查表明，導(dǎo)熱塑料的導(dǎo)熱系數(shù)僅需達(dá)到3-5W/mK即可改善電子模塊的熱管理。眾所周知，導(dǎo)熱系數(shù)主要取決于：

■塑料的導(dǎo)熱系數(shù)

■填料類型

■填料形狀（球形、片狀或纖維狀）

■填料尺寸

■填料用量

片狀或纖維狀填料等不等軸填料能夠提供更高的導(dǎo)熱系數(shù)，因?yàn)樗鼈兙哂懈鼜?qiáng)的交互接觸傾向，更有利于形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。

但是，填料的用量不僅對導(dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生了影響，而且還對其他性能產(chǎn)生了重大影響（上圖1）。更高的填料含量并不能成比例的提高導(dǎo)熱系數(shù)，同時還伴隨著導(dǎo)熱塑料加工性能的顯著降低。此外，導(dǎo)熱填料通常比工程塑料更為昂貴，因此材料成本將隨著填料含量的增加而大幅上升。綜上所述，在選擇導(dǎo)熱塑料時應(yīng)權(quán)衡導(dǎo)熱系數(shù)、加工性能和材料成本之間的關(guān)系。就導(dǎo)熱塑料而言，“越多越好”的原則并不適用。

圖1：取決于填料含量的性能

二、成型流動方向產(chǎn)品的導(dǎo)熱

不管是導(dǎo)熱塑料，還是從纖維增強(qiáng)塑料的研究結(jié)果來看，使用不等軸填料會使部件表現(xiàn)出各向異性的材料性能。因此，這種各向異性是一個依賴加工的值。在加工過程中，作用于填料的流動力對它們的取向產(chǎn)生了顯著的影響。因?yàn)椴坏容S填料的導(dǎo)熱系數(shù)主要體現(xiàn)在優(yōu)選方向上（如：纖維長度方向），填料取向?qū)Τ善凡考飨虍愋缘膶?dǎo)熱系數(shù)能具有重大的影響。

圖2所示為聚酰胺6的導(dǎo)熱系數(shù)變化，其中已按體積的30%（PA6-Cu30）和40%（PA6-Cu40）添加銅片作為導(dǎo)熱填料。我們可以清楚地看到，導(dǎo)熱系數(shù)——主要是薄壁部件在厚度方向上的導(dǎo)熱系數(shù)明顯比其他方向（流體方向和寬度方向）上要低。

圖2：加工對導(dǎo)熱系數(shù)的影響

利用傳統(tǒng)加工方法生產(chǎn)扁平或框狀部件時，填料主要沿著流動方向和寬度方向（圖3）取向。尤其是在薄壁部件里，填料很少順著厚度方向?qū)R。因此，優(yōu)導(dǎo)熱系數(shù)主要出現(xiàn)在流動方向和寬度方向上。但是，這種填料取向并不適用于所有應(yīng)用領(lǐng)域。以框狀部件為例，其內(nèi)部熱損失主要通過殼壁來消除，即厚度方向。從這一點(diǎn)來看，厚度方向上的高導(dǎo)熱系數(shù)非常重要。遺憾的是，利用傳統(tǒng)加工方法實(shí)現(xiàn)的填料取向并非這一應(yīng)用的理想選擇。圖2還表明，填料含量的增加僅略微提高了厚度方向上的導(dǎo)熱系數(shù)，而其代價卻是削弱了部件的其他性能（圖1）。

圖3：受工藝影響的填料取向

三、新工藝可以改善厚度方向的導(dǎo)熱性能

如上所述，導(dǎo)熱塑料不占優(yōu)勢的各向異性主要受到了加工過程中的流動行為的影響。因此，德國斯圖加特大學(xué)的Institut für Kunststofftechnik研究中心（IKT）對新的加工方法進(jìn)行了研究以解除上述限制。例如，一種新型的擠出模具——膨脹模已成功開發(fā)，從而使扁平部件的填料在厚度方向上的取向更明顯。這種重新取向通過改善模內(nèi)的熔體流動來實(shí)現(xiàn)，并同時造成了剪切流動和拉伸流動的變化。

圖4表明，改變的填料取向?qū)穸确较蛏系膶?dǎo)熱系數(shù)產(chǎn)生了非常積極的影響。作為導(dǎo)熱填料，銅片也在此處按30%、40%和50%的體積加入了聚酰胺6。研究表明，通過膨脹模內(nèi)改良的工藝控制，無論填料含量多少，厚度方向上的導(dǎo)熱系數(shù)均比傳統(tǒng)加工方式獲得的導(dǎo)熱系數(shù)更高。此外，膨脹模的應(yīng)用和30%體積含量的填料產(chǎn)生的導(dǎo)熱系數(shù)比傳統(tǒng)加工工藝按50%體積含量的填料產(chǎn)生的導(dǎo)熱系數(shù)高得多。如上所述，傳統(tǒng)加工條件下的填料僅在厚度方向上輕微取向（圖3）。因此，填料含量的增加僅略微提高了厚度方向上的導(dǎo)熱系數(shù)，但卻削弱了加工性能等其他性能，并且提高了材料價格。通過膨脹模內(nèi)更智能的工藝控制，填料基本為垂直取向，從而在厚度方向上獲得更高導(dǎo)熱系數(shù)，即使填料含量較低。這種方式還有可能有助于提高部件性能、優(yōu)化加工性能并降低材料成本。

圖4：膨脹模內(nèi)改進(jìn)的工藝控制提高了導(dǎo)熱系數(shù)

除了擠出產(chǎn)生的導(dǎo)熱系數(shù)變化，IKT同時還在研究注塑成型工藝。測試表明，在經(jīng)過改性的智能工藝控制的輔助下，填料在注塑成型過程中也可在厚度方向上實(shí)現(xiàn)更明顯的取向。因此，IKT正在深入研究其交互作用以及提高導(dǎo)熱系數(shù)的可能性，巴登-符滕堡州基金會為其提供資金支持。

四、利用模型對導(dǎo)熱性能進(jìn)行預(yù)測

智能加工方法開發(fā)過程中的一個重要步驟是通過建模和仿真對流程進(jìn)行預(yù)測。只有精確了解加工過程中產(chǎn)生的作用，才能對之后的性能下結(jié)論，如填料取向和成品部件導(dǎo)熱系數(shù)。因此，IKT創(chuàng)建了一個新模型用于對導(dǎo)熱塑料的性能做出更準(zhǔn)確的預(yù)測。

片狀填料常用于導(dǎo)熱塑料，因此研發(fā)人員針對廣泛使用的Folgar-Tucker模型是否適用于預(yù)測片狀填料的取向進(jìn)行了檢查，因?yàn)镕olgar-Tucker模型通常用于預(yù)測纖維取向，并且先前僅針對纖維進(jìn)行了驗(yàn)證。通過調(diào)查并對現(xiàn)有的Folgar-Tucker模型進(jìn)行適配，對片狀填料的取向進(jìn)行精確預(yù)測已成為可能（圖5）。如果缺少模型適配，預(yù)測準(zhǔn)確率則會低很多。

圖5：用合適的模型適配精確預(yù)測片狀填料取向

此外，根據(jù)填料取向仿真，IKT還開發(fā)了一個模型用于精確計算成品部件在所有方向上的導(dǎo)熱系數(shù)，從而在早期選擇加工方法時即可明確后期將獲得的性能。例如，有可能了解加工方式的變化對導(dǎo)熱系數(shù)的影響。因此，這一預(yù)測方式有助于針對性地快速開發(fā)新的加工方法，從而進(jìn)一步提高導(dǎo)熱塑料的性能。

結(jié)語

只有適當(dāng)?shù)念A(yù)測方法才能充分了解一個加工方法是否能夠使用智能工藝控制，從而充分利用導(dǎo)熱塑料的潛力。遺憾的是，“越多越好”的原則仍被普遍應(yīng)用，盡管它基本無法顯著改善導(dǎo)熱性能，相反地，還會明顯地提高成本。

以上內(nèi)容來自艾邦高分子論壇

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