氧化镁填充导热硅橡胶性能研究

氧化镁填充导热硅橡胶性能研究

带有广泛用于各种电子设备的热涂层胶，但涂层胶的使用应是图纸的形状、涂层的锁定义。该工艺复杂，操作周期长。不适合快速生产线的使用，而柔性热涂层垫是操作方便快速、具有一定厚度的软热涂层垫。该种胶垫基材为硅橡胶,导热填料为氧化铝或氧化铝、氧化镁和氮化硼的混合颗粒,具有良好的导热和绝缘性能。由于其本身具有一定柔韧性,能够紧密贴合在功率器件与散热铝/铜片或机器外壳间,达到较好导热及散热目的,目前已直接用于微处理器、直流转换器、继电器、UPS、汽车电子、投射灯具等电子产品中。目前研究较多且导热和绝缘性能良好的导热绝缘橡胶填料有氧化铝、氮化硅等。氧化镁的导热性能略优于氧化铝,可制备具有更高热导率的胶垫;电性能逊于氧化铝,但仍满足普通电子电器产品绝缘胶垫的要求,是一种优异的导热绝缘橡胶填料,但其相关报道较少。本工作以混炼硅橡胶为基体、氧化镁为导热填料制备柔性导热胶垫,并对其性能进行研究。1实验1.1原料、试剂及仪器混炼硅橡胶(由乙烯基硅橡胶和白炭黑混合制备的高温硫化硅橡胶),广州聚成兆业有机硅原料中心产品;大粒径氧化镁,粒径为45～380μm,上海振泰氧化镁厂产品;小粒径氧化镁,粒径为1～5μm,纯度为95%以上,市售产品;硫化剂BPO,分析纯,广州化学试剂厂产品;硅烷偶联剂,牌号A1100,佛山市道宁化工有限公司产品。1.2试验仪器和设备SK-160B型开炼机,上海第一橡胶机械厂产品;XLB-D型25t平板硫化机,浙江湖州宏侨机械有限公司产品;双平板热导率测定仪,华南理工大学工业装备与控制工程学院产品;XLL-100A型拉力试验机,广州试验仪器厂产品;LFA447型激光导热仪,德国耐驰公司产品。1.3基本组成混炼硅橡胶100,硫化剂BPO1,氧化镁变品种、变量,硅烷偶联剂变量。1.4出片工艺的确定室温下采用开炼机将混炼硅橡胶塑化均匀后加入硫化剂BPO混合均匀,然后加入氧化镁混炼均匀出片(硅烷偶联剂仅在研究硅烷偶联剂用量对硅橡胶热导率的影响时使用,制备时先将硅烷偶联剂与氧化镁混合均匀,再加入到混炼硅橡胶中)。试样采用25t平板硫化机硫化,硫化条件为(120～130)℃×25min,试样尺寸为70mm×70mm×5mm。1.5测试分析(1)热扩散系数的测定双平板法:根据GB/T3399—1982进行测试,试验数据选取40～50℃稳定状态下的数值。激光闪光法:先依据ASTM1054标准采用激光导热仪测定热扩散系数(α),然后根据公式λ=cpαρ计算热导率。其中λ为热导率;ρ为试样密度,其数值根据氧化镁密度(3.58Mg·m-3)和硅橡胶密度(1.07Mg·m-3)按照配方比例计算;cp为试样比热容,其数值根据氧化镁比热容[0.94kJ·(kg·K)-1]和硅橡胶比热容[1.47kJ·(kg·K)-1]按照配方比例计算。试样为厚度小于3mm的薄片。(2)根据相关国家标准的性能测试，拉伸率为100mm·min-1。2结果与讨论2.1氧化镁用量的影响氧化镁用量对硅橡胶热扩散系数和热导率(采用激光闪光法测定)的影响如表1所示,采用激光闪光法和双平板法两种方法测得的氧化镁用量对硅橡胶热导率的影响见图1。从图1可以看出,采用激光闪光法和双平板法测得的热导率曲线变化趋势大致相同,但激光闪光法测得的热导率数值比平板法高10%～30%。其中氧化镁用量为50～200份时,采用两种方法测得的曲线几乎是平移曲线;而在氧化镁用量大于250份后,采用两种方法测得的曲线变化趋势出现明显差异。以双平板法测得的热导率曲线为例进行分析。氧化镁用量为50～100份时材料的热导率变化较小,这是因为热导率与电导率不同,体现的是一种整体性能,尽管100份氧化镁占胶料的体积分数约为0.22,超过了通常网络形成的渗滤阈值0.198,但由于形成的导热网络少,因此热导率低。当氧化镁用量为150～250份时,氧化镁颗粒与颗粒间的接触面积增大,此时导热网络形成,网络密度增大,使得材料热导率随氧化镁用量的增大而增大。当氧化镁用量超过250份时,材料热导率变化又趋平缓,这是由于此时材料相当于由氧化镁颗粒堆积形成的网络,而硅橡胶相当于填充在氧化镁颗粒之间的空隙中,且导热网络密度已经达到极限,在此基础上再增加的氧化镁均被填充至未被硅橡胶填充的空隙中,因而材料的热导率基本维持不变。2.2氧化镁用量对复合填充硅系氧化镁粒径对硅橡胶热导率的影响见图2。从图2可以看出,氧化镁用量小于50份时,大小粒径氧化镁填充硅橡胶的热导率差别很小,其中小粒径氧化镁填充硅橡胶的热导率略大一些,这是由于两种粒径氧化镁填充硅橡胶中均未形成导热网络。随着氧化镁用量的继续增大,小粒径氧化镁填充硅橡胶的热导率迅速增大,这是由于小粒径氧化镁成网快且比表面积大,其表面的硅橡胶受阻硬化,使得材料热导率增幅较大。当氧化镁用量为100～150份时,大小粒径氧化镁填充硅橡胶的热导率均有显著提高,这表明导热网络开始形成;而小粒径氧化镁填充硅橡胶的热导率增速较大主要是由于小粒径氧化镁比表面积巨大,与硅橡胶基体形成的界面层占有相当大的比例,在氧化镁表面硬化的硅橡胶界面层对提高材料导热性能有很大帮助[材料依靠声子导热,坚硬(高模量)材料的声波传导速率大,导热性能好]。当氧化镁用量大于150份时,小粒径氧化镁填充硅橡胶的热导率增幅减小,至氧化镁用量为200份时,两种粒径氧化镁填充硅橡胶的热导率基本一致。潘大海等对3和50μm两种刚玉粉填充室温硫化硅橡胶的研究表明,当刚玉粉用量较小时,大粒径刚玉粉填充硅橡胶的导热性能优于小粒径刚玉粉填充硅橡胶,但当刚玉粉用量大于200份后,两种粒径刚玉粉填充硅橡胶的导热性能差距明显缩小,其与本研究结果的矛盾可能是由填料的形状差异和粒径大小及分布不同造成的,填料的形状和粒径分布在低用量时对形成导热网络有重要影响,但当用量高到200份时,导热网络密度已经很高,形状和粒径分布变得不再那么重要。大粒径氧化镁/小粒径氧化镁并用比对硅橡胶热导率的影响见图3。从图3可以看出,随着大粒径氧化镁/小粒径氧化镁并用比的增大,材料热导率出现波浪变化,在7个并用比对应的热导率数据点中,4个数据点处于大小粒径氧化镁填充硅橡胶热导率的算术平均值上方,2个基本位于算术平均值线上,只有1个略低于平均值。大粒径氧化镁/小粒径氧化镁并用比为100/100时材料的热导率最大。由于不同填料的颗粒形状、大小分布等不同,不同粒径填料的并用难以有一个统一的预测结果。在大小粒径填料的并用中,当小粒径填料颗粒可以填充到大粒径填料颗粒之间的空隙中时,能够增大填料的堆砌因数,有利于导热网络的完善。但当小粒径填料颗粒过大而不能填充到大粒径填料颗粒间的空隙中时,则可能减小堆砌因数。理想的高堆砌密度的填料应是片状的,可像砖石一样一块块紧密排列。2.3硅烷偶联剂用量硅烷偶联剂用量对硅橡胶热导率的影响见图4,配方采用200份大粒径氧化镁。从图4可以看出,硅橡胶热导率随硅烷偶联剂用量的增大先增大后减小,在硅烷偶联剂用量为1份(占氧化镁用量的0.5%)时达到最大值。分析认为,硅烷偶联剂可以改善硅橡胶与氧化镁的界面结合,但若硅烷偶联剂用量过大,多余的硅烷偶联剂积聚在氧化镁与硅橡胶的界面处形成声子难以透过的障碍,可导致材料热导率降低。2.4大粒径氧化镁用量大粒径氧化镁用量对硅橡胶拉伸性能的影响见图5。从图5可以看出,硅橡胶拉伸强度和拉断伸长率均随大粒径氧化镁用量的增大呈现减小趋势。其中拉伸强度呈阶梯形下降,其数值在大粒径氧化镁用量为250份时降幅较大;而拉断伸长率在大粒径氧化镁用量为50～200份之间出现平台,在大粒径氧化镁用量为250份左右时也出现较大降幅。而图1中双平板法测得硅橡胶导热性能在大粒径氧化镁用量为250份左右时达到最佳。上述两种现象均说明,当大粒径氧化镁用量为250份时,硅橡胶中填料密度达到了临界值。小粒径氧化镁用量对硅橡胶拉伸性能的影响见图6。从图6可以看出,小粒径氧化镁对硅橡胶有一定的补强作用,其用量较小时可以提高硅橡胶的拉伸强度。对比图5和6可以看出,氧化镁用量在200份以内时,小粒径氧化镁填充硅橡胶的拉伸强度大于大粒径氧化镁填充硅橡胶,而拉断伸长率则相反。但小粒径氧化镁填充的硅橡胶加工性能差,且其用量到200份