高熱伝導率プラスチックは、その優れた加工性能、低価格、優れた熱伝導性により、変圧器インダクター、電子部品の放熱、特殊ケーブル、電子パッケージング、サーマルポッティングなどの分野で卓越した才能を発揮します。フィラーとしてグラフェンを使用した高熱伝導性プラスチックは、熱管理およびエレクトロニクス産業における高密度および高集積アセンブリ開発の要件を満たすことができます。

従来の熱伝導性プラスチックには、主に高熱伝導性の金属または無機フィラー粒子が充填されており、ポリマーマトリックス材料を均一に充填します。フィラーの量が一定のレベルに達すると、フィラーはシステム内で鎖状およびネットワーク状の形態、つまり熱伝導性ネットワークチェーンを形成します。これらの熱伝導性メッシュチェーンの配向方向が熱流方向と平行である場合、システムの熱伝導率は大幅に向上します。

高熱伝導性プラスチックを使用カーボンナノ素材グラフェンフィラーは、熱管理およびエレクトロニクス産業における高密度および高集積アセンブリ開発の要件を満たすことができます。たとえば、純粋なポリアミド 6 (PA6) の熱伝導率は 0.338 W/(m・K) ですが、50% アルミナを充填した場合、複合材料の熱伝導率は純粋な PA6 の 1.57 倍になります。変性酸化亜鉛を 25% 添加すると、複合材料の熱伝導率は純粋な PA6 の熱伝導率の 3 倍になります。20% のグラフェン ナノシートを追加すると、複合材料の熱伝導率は 4.11 W/(m・K) に達し、純粋な PA6 よりも 15 倍以上増加しました。これは、熱管理の分野におけるグラフェンの大きな可能性を示しています。

1. グラフェン/ポリマー複合材料の作製と熱伝導率

グラフェン/ポリマー複合材料の熱伝導率は、製造プロセスにおける加工条件から切り離すことができません。調製方法が異なると、マトリックス内のフィラーの分散、界面作用、空間構造に違いが生じ、これらの要因が複合材料の剛性、強度、靱性、延性を決定します。現在の研究に関する限り、グラフェン/ポリマー複合材料では、せん断、温度、極性溶媒を制御することで、グラフェンの分散度やグラフェンシートの剥離度合いを制御することができます。

2. グラフェン入り高熱伝導率プラスチックの性能に影響を与える要因

2.1 グラフェンの添加量

グラフェンを充填した高熱伝導性プラスチックでは、グラフェンの量が増加するにつれて、系内に熱伝導ネットワークチェーンが徐々に形成され、複合材料の熱伝導率が大幅に向上します。

エポキシ樹脂（EP）ベースのグラフェン複合材料の熱伝導率を研究したところ、グラフェンの充填率（約4層）によりEPの熱伝導率が約30倍の6.44に向上することが判明した。W/(m・K)。一方、従来の熱伝導性フィラーは、この効果を達成するために 70% (体積分率) のフィラーを必要とします。

2.2 グラフェンの層数
多層グラフェンの場合、1 ～ 10 層のグラフェンに関する研究では、グラフェン層の数が 2 から 4 に増加すると、熱伝導率が 2 800 W/(m·K) から 1300 W/(m·K) に減少することがわかりました。 ）。したがって、グラフェンの熱伝導率は層数の増加とともに低下する傾向にあります。

これは、多層グラフェンが時間の経過とともに凝集し、熱伝導率が低下するためです。同時に、グラフェンの欠陥とエッジの乱れにより、グラフェンの熱伝導率が低下します。

2.3 基材の種類
高熱伝導率プラスチックの主成分には、マトリックス材料とフィラーが含まれます。グラフェンは熱伝導率が優れているため、フィラーとして最適です。マトリックスの組成が異なると熱伝導率に影響します。ポリアミド（PA）は、優れた機械的特性、耐熱性、耐摩耗性、低摩擦係数、一定の難燃性、容易な加工性を備え、充填改質に適しており、性能を向上させ、応用分野を拡大します。

この研究では、グラフェンの体積分率が 5% の場合、複合材料の熱伝導率は通常のポリマーの 4 倍高く、グラフェンの体積分率が 40% に増加すると、複合材料の熱伝導率が向上することがわかりました。 20倍に増加します。。

2.4 マトリックス中のグラフェンの配置と分布
グラフェンを方向性を持って垂直に積層すると、その熱伝導率が向上することがわかっています。
さらに、マトリックス内のフィラーの分布も複合材料の熱伝導率に影響します。フィラーがマトリックス中に均一に分散し、熱伝導性の網目鎖を形成すると、複合材料の熱伝導率が大幅に向上します。

2.5 界面抵抗と界面結合強度
一般に、無機フィラー粒子と有機樹脂マトリックスとの界面親和性が悪く、マトリックス中でフィラー粒子が凝集しやすく、均一な分散液を形成することが困難である。また、無機フィラー粒子とマトリックスの表面張力の違いにより、フィラー粒子の表面が樹脂マトリックスに濡れにくくなり、両者の界面に空隙が生じ、界面熱抵抗が増加します。ポリマー複合材料の。

3. 結論
グラフェンを充填した高熱伝導性プラスチックは、高い熱伝導率と優れた熱安定性を備えており、その開発の可能性は非常に広いです。グラフェンは、熱伝導率以外にも、高強度、高い電気的および光学的特性などの優れた特性を備えており、モバイル機器、航空宇宙、新エネルギー電池などに広く使用されています。

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