（2001年6月1日，作者：LILLI MANOLIS SHERMAN）

--一些经过配方设计以替代金属或陶瓷的热塑性塑料，正扮演着帮助电子设备、照明产品和汽车发动机保持凉爽的新角色。

散热器及其他散热应用，是热塑性塑料（固有的绝热体）尚未能取代金属的最后几个领域之一。直到最近情况才有所改变。对塑料进行改性

以提高其导热性，对于少数几家复合材料生产商来说是一个蓬勃发展的机遇领域。他们已接受挑战，利用塑料来解决电子、家电、照明、

汽车和工业产品中的热量积聚问题。

在众多的先驱者中，普立万公司、Cool Polymers公司、LNP工程塑料公司、RTP公司以及泰科纳公司开发的导热复合材料均已在近两年实现了

商业化。通用电气塑料公司、杜邦公司和A.舒尔曼公司也正在进行相关的开发项目。就在上个月，普立万公司与酷聚合物公司达成了一项联

合开发协议，旨在利用后者在模具设计、热管理测试以及原型应用注塑成型方面的技术能力。

导热复合材料通常不被认为是金属的直接替代品。相反，它们为"热管理"应用开辟了广阔的新机遇。由这类新一代材料注塑成型的部件，可

以在某些应用中替代金属和陶瓷，在其他应用中替代不导热的塑料。其用途包括电路板上的定制注塑散热器，以及家电、照明、通信设备、

商用机器和腐蚀性环境中使用的工业设备中的热交换器管路。散热器通常涉及在金属热管上包覆成型塑料。照明应用还包括反射器、激光二

极管封装和荧光灯镇流器。汽车前照灯反射器正在开发中。

在像热敏电阻这样的温度传感器中，导热塑料封装有助于改善温度传感器本身的响应速度。导热复合材料也用于封装小型电机和电机骨架。

一种柴油燃油泵使用导热塑料来帮助确保燃油在零下温度下仍能流动。

更特殊的应用可能包括辐射地板采暖系统，其中盘管之间放置的导热薄膜可以使水在更低的温度下运行。另一种可能性是围绕保险杠的轮廓

模塑全塑料汽车散热器，以替代传统的方盒式设计。

*Cool Polymers公司的新材料*

日益小型化且功耗更高的电子产品的热传导需求，为这类新一代冷却材料打开了大门。未填充的热塑性塑料的导热系数约为0.2 W/mK，而大

多数导热塑料复合材料的导热系数通常要高出10到50倍（1-10 W/mK）。Cool Polymers公司提供的产品，其导热系数更是基础聚合物的100到

500倍（10-100 W/mK）。

传统上，铝一直是控制电子产品中较高热通量的主要材料。挤压级铝合金的导热系数接近150 W/mK。一些压铸金属合金（镁或铝）的导热系

数在50-100 W/mK范围内。

然而，有观点认为，如果金属将热量传导至产品表面的速度快于空气流动对流从表面带走热量的速度，那么金属的高导热性就无法被有效利

用。Cool Polymers公司的产品经理Jim Miller表示："许多应用中的热传递是受对流限制的（即依赖于设计），而非受传导限制的（即依赖于材

料）。"

导热塑料通常拥有比铝更低的热膨胀系数（CTE），从而可以减少因差异膨胀产生的应力，因为塑料的热膨胀系数更接近于它们所接触的硅或

陶瓷的热膨胀系数。导电塑料的重量比铝轻40%；它们为模塑功能集成和部件整合提供了设计自由度；并且可以省去昂贵的后加工操作。

据Cool Polymers的Miller称，如果没有导热塑料，许多利用微电子技术的进步本不可能实现。"这种控制热量积聚，同时提供轻质、灵活且低

成本应用的能力，将使这些塑料成为未来几十年最重要的技术发展之一。"

来自Cool Polymers的红外摄影图像揭示了为何许多塑料制成的部件会过热并失效。将点热源施加到平坦注塑板件的中心——一块由标准PP制

成，另一块由CoolPoly导热PP复合材料制成。后者将热量从中心热点传导出去，产生一个更均匀的温度分布，整个板件的温差不超过4°C。但

标准PP板件显示其最热点和最冷点之间存在24°C的温差。

高昂的初始成本是目前导热复合材料获得更广泛接受的最大障碍。一个关键因素是实现良好导热性所用的高价填料，这导致这些复合材料的

成本至少是其可能替代的金属或陶瓷材料的2.5倍。许多导热复合材料的售价在每磅35-45美元之间，尽管一些导热性较低的产品价格稍低。

*导热添加剂*

最常用的导热添加剂包括石墨碳纤维和陶瓷（如氮化铝和氮化硼）。石墨纤维既导电又导热，这使它们适用于需要射频干扰屏蔽的应用，例如

手持通信设备。相比之下，陶瓷添加剂是电绝缘的。它们适用于接触电触点的应用。几乎所有导热复合材料的供应商都同时提供导电型和绝

缘型产品。导热复合材料通常使用结晶性工程树脂进行配制，因为它们具有高耐热性和较低的熔体粘度，但非晶树脂也可使用。例如，

Cool Polymers已开发出一种导热聚砜复合材料。通常，导热复合材料比未填充或玻璃纤维增强树脂具有更高的刚度和强度，但冲击性能较低。

例如，玻璃纤维增强尼龙66的缺口伊佐德冲击强度约为1.7-1.8 ft-lb/in.，而一种导热绝缘的尼龙66的缺口伊佐德冲击强度为1.0 ft-lb/in.。

导热性最好的添加剂是由石油沥青制成的特种石墨纤维，其导热系数值为500-1000 W/mK。相比之下，基于聚丙烯腈（PAN）的结构级碳纤

维的导热系数低于10 W/mK。电绝缘陶瓷填料的导热系数为：氮化硼60-80 W/mK，氮化铝粉末300 W/mK。

BP公司目前是北美唯一一家生产沥青基石墨纤维的制造商。康菲公司计划明年早些时候在俄克拉荷马州庞卡城的新工厂开始生产特种沥青纤

维，旨在成为第二家供应商。尽管BP的ThermalGraph沥青基纤维售价约为每磅25美元，但BP已开发出一种低成本工艺，可将价格降低至少

25%。BP预计明年年初开始采用新工艺。

陶瓷填料的价格也很昂贵。氮化铝售价约为每磅20美元，而氮化硼平均约为每磅50美元。Advanced Refractory Technologies公司的技术开发

经理Juyoung Kim表示，由于氮化铝填料的颗粒形状比氮化硼的片状更圆，因此含有氮化铝的复合材料流动性比含氮化硼的好得多。Kim声称：

"因此，你可以轻松实现高达60%体积分数的氮化铝填充量，而氮化硼最多只能达到20%体积分数。"他的公司是美国唯一的氮化铝供应商。

Kim表示，正在开发的新版本Maxtherm将允许更高的填充量和更大的导热系数，预计今年晚些上市。

Advanced Ceramics公司的营销总监Don Lelonis表示，公司正在研究新的表面处理技术，以使氮化硼（BN）能够实现足够高的填充量并保持

良好的可模塑性。同时也在努力改进BN颗粒的形状和尺寸，以优化导热性。（美国另一家氮化硼供应商是Saint-Gobain Advanced Ceramics公

司，前身为Carborundum公司。）

石墨纤维和陶瓷填料都会对加工设备产生磨损。注塑商可以通过使用低压缩比螺杆、避免使用小浇口和止逆环来补偿。Johnson建议，总体上

要尽量减少剪切。

*聚合物范围扩大*

导热热塑性塑料的初期工作集中在高耐热树脂上，如LCP、PPS、PEEK和聚砜。PolyOne也在测试基于聚醚酰亚胺（GE的Ultem）的新型复合

材料。供应商现在正扩大其产品范围，包括中温树脂如ABS、PBT、聚碳酸酯和尼龙，以及低温通用塑料如PP和PS。甚至热塑性弹性体（TPE）

也开始进行导热改性。

Cool Polymers的Miller说："在中温工程树脂组别中，我们瞄准了广泛应用于工业设备的小型步进电机散热器的应用。在通用树脂领域，我们

看到基于PP的复合材料以及可能的PS在非电子应用中的潜力，例如与食品相关的消费类加热和冷却产品。"

Cool Polymers的CoolPoly系列目前包括LCP、尼龙66、PC/ABS和PPS的复合材料。根据树脂类型不同，其导热系数最高可达60 W/mK。弹性

体TPO复合材料正在开发中。该公司提供定制配制任何工程或通用热塑性塑料的导热等级的服务。

LNP的Konduit系列包括PPS、PP以及尼龙6和尼龙66等级。这些树脂与碳、陶瓷或金属填料以及少量玻璃纤维增强材料（如果需要）复合。一

个低成本产品组使用陶瓷或金属添加剂，提供高达2W/mK的导热系数。一个高性能产品组使用特种碳纤维，可实现10 W/mK的导热系数。

LNP可以提供任何结晶性热塑性塑料的定制Konduit产品。

Ticona提供四种Fortron PPS等级，导热系数高达3.0W/mK，有绝缘或导电版本。

如果没有由新型导热热塑性塑料复合材料注塑成型的散热器和散热片，将功能更强大的微电子设备封装到更小的空间中将是不可能实现的。