然而，電子設(shè)備運(yùn)行中不斷聚積的熱量產(chǎn)生了致命的散熱問(wèn)題，嚴(yán)重影響電子設(shè)備的穩(wěn)定性與使用壽命。制造電子設(shè)備的材料不僅應(yīng)該具有良好的介電性能、力學(xué)性能和加工性能，而且應(yīng)該具備良好的導(dǎo)熱性能。

陶瓷材料和碳材料在導(dǎo)熱PPS中的應(yīng)用研究圖源：艾邦拍攝

與大多數(shù)高分子材料一樣，PPS的導(dǎo)熱系數(shù)較低，室溫時(shí)只有0.23W／(m·K)，嚴(yán)重限制了其在電子設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，對(duì)PPS進(jìn)行導(dǎo)熱改性具有十分重要的意義。

陶瓷材料和碳材料在導(dǎo)熱PPS中的應(yīng)用研究 PPS在筆記本上的應(yīng)用，圖源：艾邦拍攝

陶瓷材料和碳材料等填料在導(dǎo)熱聚苯硫醚復(fù)合材料中可以應(yīng)用，本文綜述了如何通過(guò)雜化填料、填料取向和填料選擇性分布等方式構(gòu)建導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

一.導(dǎo)熱填料

填充高導(dǎo)熱系數(shù)的填料能有效改善聚合物的導(dǎo)熱性能。當(dāng)聚合物基體中的填料含量達(dá)到導(dǎo)熱逾滲值時(shí)，填料粒子相互接觸形成較為完整的導(dǎo)熱通路，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)大幅提升。

不同種類(lèi)填料的導(dǎo)熱系數(shù)相差較大，并且極大地影響著復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，在導(dǎo)熱填料用量達(dá)到導(dǎo)熱逾滲值后，高導(dǎo)熱系數(shù)填料對(duì)提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能更具優(yōu)勢(shì)。

但是當(dāng)填料的導(dǎo)熱系數(shù)高于聚合物基體的100倍時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)沒(méi)有更明顯的改善。常用于制備導(dǎo)熱PPS復(fù)合材料的填料有陶瓷材料和碳材料等。

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陶瓷材料和碳材料在導(dǎo)熱PPS中的應(yīng)用研究

1.陶瓷材料

氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁(AlN)和六方氮化硼(h?BN)等陶瓷材料由于導(dǎo)熱系數(shù)大、電絕緣和成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于填充PPS樹(shù)脂，以改善復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。Al2O3具有較好的導(dǎo)熱性能，其中α型氧化鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為30W／(m·K)，且價(jià)格低廉、來(lái)源廣泛，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。

對(duì)于填充型導(dǎo)熱復(fù)合材料，填料與聚合物之間較差的相容性會(huì)導(dǎo)致聲子散射，增加界面熱阻，而界面熱阻往往是導(dǎo)熱改性效果有限的重要原因。

對(duì)填料表面進(jìn)行改性，增強(qiáng)填料與聚合物的相容性，能有效改善復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，并且還能提高復(fù)合材料的力學(xué)性能。

利用偶聯(lián)劑來(lái)改善聚合物基體與填料的相容性時(shí)，不同的偶聯(lián)劑存在不同的合適用量。偶聯(lián)劑用量過(guò)多，多余的偶聯(lián)劑分子聚集在聚合物基體－填料界面，增加熱阻。偶聯(lián)劑用量不足，聚合物基體與填料的相容性不佳，界面缺陷也會(huì)增加熱阻。

與其他陶瓷材料相比，具有高導(dǎo)熱系數(shù)[＞300W／(mK)]和低介電常數(shù)(約為4)的h?BN是現(xiàn)階段制備導(dǎo)熱、電絕緣復(fù)合材料的理想填料之一，但是表面缺少活潑官能團(tuán)的h?BN與聚合物基體的相容性極差，容易團(tuán)聚，影響導(dǎo)熱通路的構(gòu)建。

2.碳材料

石墨、石墨烯、碳纖維(CF)和碳納米管(CNT)等碳材料，由于高導(dǎo)熱系數(shù)和低密度而被廣泛用于導(dǎo)熱改性。與陶瓷材料相比，碳材料可以在更低的填充量下實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的高導(dǎo)熱系數(shù)。

膨脹石墨(EG)是一種疏松多孔的蠕蟲(chóng)狀石墨，EG與含有苯環(huán)或共軛雙鍵的聚合物之間的強(qiáng)π?π相互作用能降低界面熱阻，改善導(dǎo)熱性能。

石墨烯具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)[約為800W／(mK)]，其以氧化石墨烯(GO)和石墨烯納米片(GNP)等多種形式存在。

陶瓷材料和碳材料在導(dǎo)熱PPS中的應(yīng)用研究圖源：艾邦拍攝

高導(dǎo)熱系數(shù)的碳材料的填充能有效改善PPS的導(dǎo)熱性能，但是其也是電的良導(dǎo)體。少量碳材料的添加就會(huì)影響復(fù)合材料的介電性能，使其不再適用于制備導(dǎo)熱電絕緣材料。

使用單一導(dǎo)熱填料制備導(dǎo)熱PPS，往往存在著填料用量大、填料容易團(tuán)聚、與PPS基體的相容性差以及高填充引起體系的熔融加工黏度增大等問(wèn)題，這些問(wèn)題嚴(yán)重?fù)p害了PPS復(fù)合材料的力學(xué)和加工性能。

二.提高填充型導(dǎo)熱聚苯硫醚復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的途徑

通過(guò)添加導(dǎo)熱填料提高PPS的導(dǎo)熱性能，必須讓導(dǎo)熱填料在PPS基體中形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)因填料添加量較多，往往惡化改性PPS的力學(xué)和加工性能。

幾乎所有的改性研究都圍繞盡量用少的填料在聚合物基體中構(gòu)筑導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括雜化填料、填料取向和填料選擇性分布等改性方法。

1.雜化填料填充

單一填料填充無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足復(fù)合材料的導(dǎo)熱和力學(xué)性能要求，采用不同填料復(fù)配填充，不僅可以發(fā)揮填料之間的協(xié)同作用，構(gòu)建較完善的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，還可以降低總填充量，降低復(fù)合材料的熔融加工黏度，從而改善復(fù)合材料的力學(xué)和加工性能。

(1)不同尺寸的填料雜化

形狀相同、尺寸不同的填料雜化填充聚合物，能有效提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)。如圖1所示，不同尺寸的填料復(fù)配時(shí)，小尺寸填料位于大尺寸填料的空隙中，填充大尺寸填料無(wú)法占據(jù)的空間，提高填料的堆積密度，這種緊密的堆疊能增加填料之間的接觸，形成更密集的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。

陶瓷材料和碳材料在導(dǎo)熱PPS中的應(yīng)用研究

(2)不同形狀的填料雜化

球形、片狀和纖維狀等不同形狀的填料雜化有兩大優(yōu)勢(shì)。一是提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，如圖2所示。球形填料中添加長(zhǎng)徑比較大的片狀、纖維狀填料后，長(zhǎng)徑比較大的填料能起連接球形填料的橋接作用，從而更容易形成三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。

陶瓷材料和碳材料在導(dǎo)熱PPS中的應(yīng)用研究

二是能改善復(fù)合材料的加工流動(dòng)性，根據(jù)門(mén)尼公式，相同填充量下，球形填料填充體系的黏度要明顯低于其他填料。

(3)不同類(lèi)型的填料雜化

不同類(lèi)型的填料雜化后填充，在改善復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的同時(shí)，還能賦予其其它性能。

其中，導(dǎo)電的MWCNT／PPS被電絕緣的BN包圍，結(jié)果是導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)被BN中斷但導(dǎo)熱通路仍然完整。當(dāng)BN和MWCNT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20％、1％時(shí)，BN＠MWCNT／PPS復(fù)合材料的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)約為1.1W／(m·K)，而電導(dǎo)率低于10－7S／cm。

2.填料取向

提高復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)鍵在于構(gòu)筑比較完整的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，如果將復(fù)合材料中的一維和二維導(dǎo)熱填料沿軸向取向排列，那么取向方向就能構(gòu)建較好的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，從而獲得取向方向的高導(dǎo)熱系數(shù)，如圖3所示。陶瓷材料和碳材料在導(dǎo)熱PPS中的應(yīng)用研究

目前有很多種方法可以實(shí)現(xiàn)填料的取向，如電場(chǎng)誘導(dǎo)法、磁場(chǎng)誘導(dǎo)法和機(jī)械力誘導(dǎo)法等。

其中，電場(chǎng)誘導(dǎo)法和磁場(chǎng)誘導(dǎo)法可以較好控制填料的取向方向，但是隨著填料含量增大，共混體系熔融加工黏度上升，填料容易團(tuán)聚，從而影響填料取向以及復(fù)合材料的力學(xué)性能。

機(jī)械力誘導(dǎo)法是指填料在加工成型過(guò)程受剪切力、壓力或拉伸力而沿特定方向排列，這種方法容易在工業(yè)上應(yīng)用。

當(dāng)石墨的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40％時(shí)，復(fù)合材料面內(nèi)的導(dǎo)熱系數(shù)為14.12W／(m·K)，而面外的只有1.41W／(m·K)，但彎曲強(qiáng)度由55.0MPa降至32.5MPa。這是因?yàn)槭母叨热∠蛟斐闪藦?fù)合材料內(nèi)部的應(yīng)力集中。

3.填料選擇性分布

在保證PPS復(fù)合材料導(dǎo)熱性能滿(mǎn)足使用需求的前提下，為了進(jìn)一步減少導(dǎo)熱填料的含量，必須采取更為有效的措施。對(duì)于不相容的聚合物共混物，當(dāng)導(dǎo)熱填料分布在“海－島”結(jié)構(gòu)的連續(xù)相或共連續(xù)結(jié)構(gòu)的特定相中時(shí)，如下圖4a和b所示，形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)所需的填料用量要小于填料填充單一聚合物所需的用量。

比起填料選擇性分布在連續(xù)相中，填料分布在聚合物共混物的界面時(shí)，能更好實(shí)現(xiàn)低填充下的高導(dǎo)熱系數(shù)，如圖4c所示。

陶瓷材料和碳材料在導(dǎo)熱PPS中的應(yīng)用研究

目前，研究和應(yīng)用的PPS共混物主要有PPS／PA、PPS／PPO和PPS／PS等，其中研究較多的是PPS與PA共混體系。

PPS和PA的溶度參數(shù)分別為25.6(J／cm3)1／2和(25.9~27.8)(J／cm3)1／2，兩者十分接近，具有一定的相容性。對(duì)于填料分布在PPS／PA共混物的某一連續(xù)相中，已有部分研究。

對(duì)于填料分布在PPS／PA共混物的界面上，由于填料的分布受熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)等因素的調(diào)控，平衡PPS和PA對(duì)填料的作用力使其分布在共混物的界面較為困難。

陶瓷材料和碳材料在導(dǎo)熱PPS中的應(yīng)用研究

隨著5G通信技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)于高導(dǎo)熱材料的需求日益增加，填充型導(dǎo)熱PPS復(fù)合材料在滿(mǎn)足導(dǎo)熱性能要求的同時(shí)具備耐腐蝕、易成型和質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。填充型導(dǎo)熱PPS復(fù)合材料的關(guān)鍵問(wèn)題在于無(wú)法同時(shí)改善導(dǎo)熱性能、力學(xué)性能和加工性能。

針對(duì)這一問(wèn)題的解決方法有很多種，包括填料雜化、填料取向和填料選擇性分布等方法。但是目前仍然存在許多不足，在低填充量下實(shí)現(xiàn)PPS基復(fù)合材料的高導(dǎo)熱系數(shù)方面仍有較大的研究發(fā)展空間。

綜合上述來(lái)看，尋找合理的填料復(fù)配并使其分布在聚合物共混物的某一相或者界面，以實(shí)現(xiàn)低填充量下構(gòu)建更有效的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，將是未來(lái)熱塑性塑料導(dǎo)熱改性研究的主要方向。