Kunststoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit zeigen aufgrund ihrer guten Verarbeitungsleistung, des niedrigen Preises und der hervorragenden Wärmeleitfähigkeit außergewöhnliche Talente in Transformatorinduktivitäten, Wärmeableitung elektronischer Komponenten, Spezialkabeln, elektronischer Verpackung, thermischem Verguss und anderen Bereichen.Kunststoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit und Graphen als Füllstoff können die Anforderungen einer Baugruppenentwicklung mit hoher Dichte und hoher Integration in der Wärmemanagement- und Elektronikindustrie erfüllen.

Herkömmliche wärmeleitende Kunststoffe sind hauptsächlich mit hochwärmeleitenden Metall- oder anorganischen Füllstoffpartikeln gefüllt, um die Polymermatrixmaterialien gleichmäßig zu füllen.Wenn die Füllstoffmenge ein bestimmtes Niveau erreicht, bildet der Füllstoff im System eine ketten- und netzwerkartige Morphologie, also eine wärmeleitende Netzwerkkette.Wenn die Ausrichtung dieser wärmeleitenden Netzketten parallel zur Wärmeflussrichtung verläuft, wird die Wärmeleitfähigkeit des Systems erheblich verbessert.

Hochwärmeleitfähige Kunststoffe mitKohlenstoffnanomaterial Graphenals Füllstoff kann die Anforderungen der Baugruppenentwicklung mit hoher Dichte und hoher Integration in der Wärmemanagement- und Elektronikindustrie erfüllen.Beispielsweise beträgt die Wärmeleitfähigkeit von reinem Polyamid 6 (PA6) 0,338 W/(m·K), bei Füllung mit 50 % Aluminiumoxid beträgt die Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs das 1,57-fache der von reinem PA6;Bei Zugabe von 25 % des modifizierten Zinkoxids ist die Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs dreimal höher als die von reinem PA6.Bei Zugabe der 20 % Graphen-Nanoschicht erreicht die Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs 4,11 W/(m·K), was mehr als das 15-fache gegenüber reinem PA6 ist, was das enorme Potenzial von Graphen im Bereich des Wärmemanagements zeigt.

1. Herstellung und Wärmeleitfähigkeit von Graphen/Polymer-Verbundwerkstoffen

Die Wärmeleitfähigkeit von Graphen/Polymer-Verbundwerkstoffen ist untrennbar mit den Verarbeitungsbedingungen im Herstellungsprozess verbunden.Verschiedene Vorbereitungsmethoden beeinflussen die Verteilung, die Grenzflächenwirkung und die räumliche Struktur des Füllstoffs in der Matrix. Diese Faktoren bestimmen die Steifigkeit, Festigkeit, Zähigkeit und Duktilität des Verbundwerkstoffs.Was die aktuelle Forschung betrifft, können bei Graphen/Polymer-Verbundwerkstoffen der Grad der Graphendispersion und der Grad der Ablösung von Graphenschichten durch die Steuerung von Scherung, Temperatur und polaren Lösungsmitteln gesteuert werden.

2. Die Faktoren, die die Leistung von mit Graphen gefüllten Kunststoffen mit hoher Wärmeleitfähigkeit beeinflussen

2.1 Zugabemenge von Graphen

In dem mit Graphen gefüllten Kunststoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit bildet sich mit zunehmender Graphenmenge nach und nach eine wärmeleitende Netzwerkkette im System, was die Wärmeleitfähigkeit des Verbundmaterials erheblich verbessert.

Bei der Untersuchung der Wärmeleitfähigkeit von Graphen-Verbundwerkstoffen auf Epoxidharzbasis (EP) wurde festgestellt, dass der Füllgrad von Graphen (etwa 4 Schichten) die Wärmeleitfähigkeit von EP um etwa das 30-fache auf 6,44 erhöhen kann.W/(m·K), während herkömmliche wärmeleitende Füllstoffe 70 % (Volumenanteil) des Füllstoffs benötigen, um diesen Effekt zu erzielen.

2.2 Anzahl der Graphenschichten
Bei mehrschichtigem Graphen ergab die Studie an 1–10 Graphenschichten, dass die Wärmeleitfähigkeit von 2.800 W/(m·K) auf 1.300 W/(m·K) abnahm, wenn die Anzahl der Graphenschichten von 2 auf 4 erhöht wurde ).Daraus folgt, dass die Wärmeleitfähigkeit von Graphen mit zunehmender Anzahl der Schichten tendenziell abnimmt.

Dies liegt daran, dass das mehrschichtige Graphen mit der Zeit agglomeriert, wodurch die Wärmeleitfähigkeit abnimmt.Gleichzeitig verringern die Defekte im Graphen und die Unordnung der Kante die Wärmeleitfähigkeit des Graphens.

2.3 Untergrundarten
Zu den Hauptbestandteilen von Kunststoffen mit hoher Wärmeleitfähigkeit gehören Matrixmaterialien und Füllstoffe.Graphen ist aufgrund seiner hervorragenden Wärmeleitfähigkeit die beste Wahl für Füllstoffe. Unterschiedliche Matrixzusammensetzungen beeinflussen die Wärmeleitfähigkeit.Polyamid (PA) verfügt über gute mechanische Eigenschaften, Wärmebeständigkeit, Verschleißfestigkeit, einen niedrigen Reibungskoeffizienten, eine gewisse Flammhemmung, eine einfache Verarbeitung und ist für die Modifikation von Füllungen geeignet, um seine Leistung zu verbessern und den Anwendungsbereich zu erweitern.

Die Studie ergab, dass bei einem Volumenanteil von Graphen von 5 % die Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs viermal höher ist als die von gewöhnlichem Polymer, und wenn der Volumenanteil von Graphen auf 40 % erhöht wird, steigt die Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs wird um das 20-fache erhöht..

2.4 Anordnung und Verteilung von Graphen in der Matrix
Es wurde festgestellt, dass die gerichtete vertikale Stapelung von Graphen seine Wärmeleitfähigkeit verbessern kann.
Darüber hinaus beeinflusst die Verteilung des Füllstoffs in der Matrix auch die Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs.Wenn der Füllstoff gleichmäßig in der Matrix verteilt ist und eine wärmeleitende Netzwerkkette bildet, wird die Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs deutlich verbessert.

2.5 Grenzflächenwiderstand und Grenzflächenkopplungsstärke
Im Allgemeinen ist die Grenzflächenkompatibilität zwischen den anorganischen Füllstoffpartikeln und der organischen Harzmatrix schlecht und die Füllstoffpartikel agglomerieren leicht in der Matrix, was die Bildung einer gleichmäßigen Dispersion erschwert.Darüber hinaus erschwert der Unterschied in der Oberflächenspannung zwischen den anorganischen Füllstoffpartikeln und der Matrix die Benetzung der Oberfläche der Füllstoffpartikel durch die Harzmatrix, was zu Hohlräumen an der Grenzfläche zwischen beiden führt und dadurch den thermischen Grenzflächenwiderstand erhöht des Polymerverbundes.

3. Fazit
Mit Graphen gefüllte Kunststoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit weisen eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine gute thermische Stabilität auf und ihre Entwicklungsaussichten sind sehr breit.Neben der Wärmeleitfähigkeit verfügt Graphen über weitere hervorragende Eigenschaften wie hohe Festigkeit sowie gute elektrische und optische Eigenschaften und wird häufig in mobilen Geräten, der Luft- und Raumfahrt sowie in neuen Energiebatterien eingesetzt.

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