（2001年6月1日，作者：LILLI MANOLIS SHERMAN）
--一些經過配方設計以替代金屬或陶瓷的熱塑性塑料，正扮演著幫助電子設備、照明產品和汽車發動機保持涼爽的新角色。
散熱器及其他散熱應用，是熱塑性塑料（固有的絕熱體）尚未能取代金屬的最后幾個領域之一。直到最近情況才有所改變。對塑料進行改性
以提高其導熱性，對于少數幾家復合材料生產商來說是一個蓬勃發展的機遇領域。他們已接受挑戰，利用塑料來解決電子、家電、照明、
汽車和工業產品中的熱量積聚問題。
在眾多的先驅者中，普立萬公司、Cool Polymers公司、LNP工程塑料公司、RTP公司以及泰科納公司開發的導熱復合材料均已在近兩年實現了
商業化。通用電氣塑料公司、杜邦公司和A.舒爾曼公司也正在進行相關的開發項目。就在上個月，普立萬公司與酷聚合物公司達成了一項聯
合開發協議，旨在利用后者在模具設計、熱管理測試以及原型應用注塑成型方面的技術能力。
導熱復合材料通常不被認為是金屬的直接替代品。相反，它們為"熱管理"應用開辟了廣闊的新機遇。由這類新一代材料注塑成型的部件，可
以在某些應用中替代金屬和陶瓷，在其他應用中替代不導熱的塑料。其用途包括電路板上的定制注塑散熱器，以及家電、照明、通信設備、
商用機器和腐蝕性環境中使用的工業設備中的熱交換器管路。散熱器通常涉及在金屬熱管上包覆成型塑料。照明應用還包括反射器、激光二
極管封裝和熒光燈鎮流器。汽車前照燈反射器正在開發中。
在像熱敏電阻這樣的溫度傳感器中，導熱塑料封裝有助于改善溫度傳感器本身的響應速度。導熱復合材料也用于封裝小型電機和電機骨架。
一種柴油燃油泵使用導熱塑料來幫助確保燃油在零下溫度下仍能流動。
更特殊的應用可能包括輻射地板采暖系統，其中盤管之間放置的導熱薄膜可以使水在更低的溫度下運行。另一種可能性是圍繞保險杠的輪廓
模塑全塑料汽車散熱器，以替代傳統的方盒式設計。
*Cool Polymers公司的新材料*
日益小型化且功耗更高的電子產品的熱傳導需求，為這類新一代冷卻材料打開了大門。未填充的熱塑性塑料的導熱系數約為0.2 W/mK，而大
多數導熱塑料復合材料的導熱系數通常要高出10到50倍（1-10 W/mK）。Cool Polymers公司提供的產品，其導熱系數更是基礎聚合物的100到
500倍（10-100 W/mK）。
傳統上，鋁一直是控制電子產品中較高熱通量的主要材料。擠壓級鋁合金的導熱系數接近150 W/mK。一些壓鑄金屬合金（鎂或鋁）的導熱系
數在50-100 W/mK范圍內。
然而，有觀點認為，如果金屬將熱量傳導至產品表面的速度快于空氣流動對流從表面帶走熱量的速度，那么金屬的高導熱性就無法被有效利
用。Cool Polymers公司的產品經理Jim Miller表示："許多應用中的熱傳遞是受對流限制的（即依賴于設計），而非受傳導限制的（即依賴于材
料）。"
導熱塑料通常擁有比鋁更低的熱膨脹系數（CTE），從而可以減少因差異膨脹產生的應力，因為塑料的熱膨脹系數更接近于它們所接觸的硅或
陶瓷的熱膨脹系數。導電塑料的重量比鋁輕40%；它們為模塑功能集成和部件整合提供了設計自由度；并且可以省去昂貴的后加工操作。
據Cool Polymers的Miller稱，如果沒有導熱塑料，許多利用微電子技術的進步本不可能實現。"這種控制熱量積聚，同時提供輕質、靈活且低
成本應用的能力，將使這些塑料成為未來幾十年最重要的技術發展之一。"
來自Cool Polymers的紅外攝影圖像揭示了為何許多塑料制成的部件會過熱并失效。將點熱源施加到平坦注塑板件的中心——一塊由標準PP制
成，另一塊由CoolPoly導熱PP復合材料制成。后者將熱量從中心熱點傳導出去，產生一個更均勻的溫度分布，整個板件的溫差不超過4°C。但
標準PP板件顯示其最熱點和最冷點之間存在24°C的溫差。
高昂的初始成本是目前導熱復合材料獲得更廣泛接受的最大障礙。一個關鍵因素是實現良好導熱性所用的高價填料，這導致這些復合材料的
成本至少是其可能替代的金屬或陶瓷材料的2.5倍。許多導熱復合材料的售價在每磅35-45美元之間，盡管一些導熱性較低的產品價格稍低。
*導熱添加劑*
最常用的導熱添加劑包括石墨碳纖維和陶瓷（如氮化鋁和氮化硼）。石墨纖維既導電又導熱，這使它們適用于需要射頻干擾屏蔽的應用，例如
手持通信設備。相比之下，陶瓷添加劑是電絕緣的。它們適用于接觸電觸點的應用。幾乎所有導熱復合材料的供應商都同時提供導電型和絕
緣型產品。導熱復合材料通常使用結晶性工程樹脂進行配制，因為它們具有高耐熱性和較低的熔體粘度，但非晶樹脂也可使用。例如，
Cool Polymers已開發出一種導熱聚砜復合材料。通常，導熱復合材料比未填充或玻璃纖維增強樹脂具有更高的剛度和強度，但沖擊性能較低。
例如，玻璃纖維增強尼龍66的缺口伊佐德沖擊強度約為1.7-1.8 ft-lb/in.，而一種導熱絕緣的尼龍66的缺口伊佐德沖擊強度為1.0 ft-lb/in.。
導熱性最好的添加劑是由石油瀝青制成的特種石墨纖維，其導熱系數值為500-1000 W/mK。相比之下，基于聚丙烯腈（PAN）的結構級碳纖
維的導熱系數低于10 W/mK。電絕緣陶瓷填料的導熱系數為：氮化硼60-80 W/mK，氮化鋁粉末300 W/mK。
BP公司目前是北美唯一一家生產瀝青基石墨纖維的制造商。康菲公司計劃明年早些時候在俄克拉荷馬州龐卡城的新工廠開始生產特種瀝青纖
維，旨在成為第二家供應商。盡管BP的ThermalGraph瀝青基纖維售價約為每磅25美元，但BP已開發出一種低成本工藝，可將價格降低至少
25%。BP預計明年年初開始采用新工藝。
陶瓷填料的價格也很昂貴。氮化鋁售價約為每磅20美元，而氮化硼平均約為每磅50美元。Advanced Refractory Technologies公司的技術開發
經理Juyoung Kim表示，由于氮化鋁填料的顆粒形狀比氮化硼的片狀更圓，因此含有氮化鋁的復合材料流動性比含氮化硼的好得多。Kim聲稱：
"因此，你可以輕松實現高達60%體積分數的氮化鋁填充量，而氮化硼最多只能達到20%體積分數。"他的公司是美國唯一的氮化鋁供應商。
Kim表示，正在開發的新版本Maxtherm將允許更高的填充量和更大的導熱系數，預計今年晚些上市。
Advanced Ceramics公司的營銷總監Don Lelonis表示，公司正在研究新的表面處理技術，以使氮化硼（BN）能夠實現足夠高的填充量并保持
良好的可模塑性。同時也在努力改進BN顆粒的形狀和尺寸，以優化導熱性。（美國另一家氮化硼供應商是Saint-Gobain Advanced Ceramics公
司，前身為Carborundum公司。）
石墨纖維和陶瓷填料都會對加工設備產生磨損。注塑商可以通過使用低壓縮比螺桿、避免使用小澆口和止逆環來補償。Johnson建議，總體上
要盡量減少剪切。
*聚合物范圍擴大*
導熱熱塑性塑料的初期工作集中在高耐熱樹脂上，如LCP、PPS、PEEK和聚砜。PolyOne也在測試基于聚醚酰亞胺（GE的Ultem）的新型復合
材料。供應商現在正擴大其產品范圍，包括中溫樹脂如ABS、PBT、聚碳酸酯和尼龍，以及低溫通用塑料如PP和PS。甚至熱塑性彈性體（TPE）
也開始進行導熱改性。
Cool Polymers的Miller說："在中溫工程樹脂組別中，我們瞄準了廣泛應用于工業設備的小型步進電機散熱器的應用。在通用樹脂領域，我們
看到基于PP的復合材料以及可能的PS在非電子應用中的潛力，例如與食品相關的消費類加熱和冷卻產品。"
Cool Polymers的CoolPoly系列目前包括LCP、尼龍66、PC/ABS和PPS的復合材料。根據樹脂類型不同，其導熱系數最高可達60 W/mK。彈性
體TPO復合材料正在開發中。該公司提供定制配制任何工程或通用熱塑性塑料的導熱等級的服務。
LNP的Konduit系列包括PPS、PP以及尼龍6和尼龍66等級。這些樹脂與碳、陶瓷或金屬填料以及少量玻璃纖維增強材料（如果需要）復合。一
個低成本產品組使用陶瓷或金屬添加劑，提供高達2W/mK的導熱系數。一個高性能產品組使用特種碳纖維，可實現10 W/mK的導熱系數。
LNP可以提供任何結晶性熱塑性塑料的定制Konduit產品。
Ticona提供四種Fortron PPS等級，導熱系數高達3.0W/mK，有絕緣或導電版本。
如果沒有由新型導熱熱塑性塑料復合材料注塑成型的散熱器和散熱片，將功能更強大的微電子設備封裝到更小的空間中將是不可能實現的。
廣州大雄化工有限公司