納米氧化鋅導熱性的應用
納米氧化鋅導熱性的應用
納米氧化鋅是目前應用比較廣泛的無機化學材料。納米氧化鋅是白色六方晶系結晶或球形粒子，粒徑小于100nm。由于顆粒的尺寸比較細微化，比表面積增加，電子結構、表面分子排布、晶體結構都發生了變化，具有表面效應、小尺寸等效應，使納米氧化鋅具有高的化學活性及優異的催化性、光催化活性、導熱性，并具有抗紅外線、紫外線輻射及sha jun功能。其中納米氧化鋅的導熱性被廣泛使用。
- 納米氧化鋅在輪胎等橡膠制品導熱性應用
輪胎等橡膠制品，在滯后的過程中容易產生熱量，如果這些熱量不能及時排出，會造成橡膠制品內部的熱量過高、其性能下降。導熱率是判斷橡膠制品導熱參數的重要指標，想要增加橡膠制品的導熱率，可以往其中加入導熱粒子。納米氧化鋅就是很好的導熱粒子，熱導率為 25W·（m ·K）－1。溶聚丁苯橡膠（SSBR）具有相對分子質量大和相對分子質量分布窄等特點， 滯后損失較小廣泛應用于低滾動阻力輪胎膠料。 但SSBR的熱導率僅為0.125W·（m ·K）－1‚因此在其中加入了納米氧化鋅，根據相關實驗報告，由圖一我們可以得到‚隨著納米氧化鋅用量的增大，復合材料的熱導率變化可以分為3個階段：
1、當納米氧化鋅的用量低于150份時,熱導率隨著納米氧化鋅用量增大的近似直線方程為 Y 1＝0．131＋8．13×10－4 x。分析認為納米氧化鋅粒子被周圍的橡膠基體所包覆，‚納米粒子相互獨立，‚熱導率隨著填料粒子數量的增大而增大。
2、當納米氧化鋅的用量為150～210份時,此區域的近似直線方程為 Y2＝0．136＋7．83×10－4 x‚此時由于納米粒子的大量填充，‚部分納米粒子形成“導熱鏈”‚但仍存在相互獨立的納米粒子。
3、當納米氧化鋅的用量為210～240份時‚此區域熱導率與納米氧化鋅用量的關系符合直線方程 Y3＝－0．19＋2．23×10－3 x‚隨著復合材料中納米氧化鋅用量的進一步增大，‚納米粒子的堆積更加緊密，‚由于納米粒子具有高表面活性，‚易相互吸附形成更為完善的“導熱鏈”‚這些貫穿基體的“導熱鏈”是將橡膠制品內部熱量導出的主要載體。
可以看出隨著納米氧化鋅的不斷加入，復合材料的導熱率也不斷的增大，納米氧化鋅對增加橡膠制材料的導熱性有較為良好的效果。
圖1納米氧化鋅用量對SSBR導熱性的影響
- 納米氧化鋅在薄膜太陽電池導熱性應用
絕大多數太陽電池的效率會受溫度的影響（如常用的硅電池，溫度每升高 1 ℃，光伏效率下降 0.4%），局部高溫甚至會破壞晶體結構，導致系統結構永久性損傷。因此，太陽電池的背部經常會加一個背板來增強換熱，但普通背板不僅散熱性能相對較差，還會造成組件的溫度升高，影響光電轉換效率。因此，為得到高傳熱性能的材料，有必要從太陽電池的器件本身入手。 ZnO 薄膜具有優異的導電性能，是一種重要的光電子信息材料，具有較高的化學穩定性和熱穩定性。通常會使用氧化鋅薄膜來增強太陽能電池的換熱。
我們可以采用可以采用溶膠-凝膠法來制備氧化鋅薄膜，通過添加不同濃度的氧化鋅前驅體溶液制作出的氧化鋅薄膜進行熱擴散率的比較。
根據相關的實驗報告：樣品1的氧化鋅的前驅溶液的濃度是0.1mol/L,樣品2的氧化鋅前驅溶液的濃度是0.5mol/L.通過表1-1我們可以看到隨著氧化鋅濃度的升高，該氧化鋅薄膜的熱擴散率由1.119*10-6m2/s增加到1.142*10-6m2/s，并且樣品2 Zn0薄膜的導熱系數為4.69大于樣品1的導熱系數0.65,。說明氧化鋅薄膜適當增加加氧化鋅前驅體溶液的濃度會讓氧化鋅薄膜的導熱性越好。
表1-1樣品1、2實驗熱擴散率
- 納米氧化鋅在電子器件導熱性的應用
隨著科技的發展，電子器件都朝著小型化超薄化和高度集成化發展，這對于材料的導熱性要求更高，并且良好的導熱性才可以提高電子器件的使用壽命?，F階段在電子封裝材料和印刷電路板中廣泛應用的環氧樹脂材料的導熱性系數偏低。氧化鋅具有良好的導熱性，為了提高其導熱性，在環氧樹脂材料中添加納米氧化鋅。通過制備不同樣貌的氧化鋅制作的環氧樹脂材料的導熱性也有所不同。
例如以六水合硝酸鋅和二甲基咪唑為原料，并在空氣條件下600℃下灼燒8小時的氧化鋅粉末以12wt%添加到環氧樹脂材料中，此時的導熱系數1.09w/mk,而相同條件下普通的環氧樹脂材料的導熱系數為0.49w/mk。同時將以六水合硝酸鋅和二甲基咪唑為原料得到的產物在600℃氮氣條件下熱解得到的碳氮雜化的氧化鋅。將其以10wt%的量添加到環氧樹脂的材料中導熱系數達到了1.10w/mk，具有更好的導熱性。
氧化鋅具有良好的導熱性和一些其他的良好的化學性質和物理性質，迄今為止在各個領域得到了廣泛的應用。
四、聚丙烯/氧化鋅導熱復合材料的制備與性能研究
采用粒徑為3μm和40μm復配的氧化鋅粉體為導熱填料以改善粉體在聚丙烯(PP)中的堆積密實度,以PP接枝馬來酸酐為相容劑,與PP共混塑化,制備出PP/氧化鋅導熱復合材料,并對該導熱復合材料的性能進行了研究。結果表明:當3μm和40μm氧化鋅質量比為1:3、且總添加量為40%(體積分數)時,所得復合材料的熱導率達到1.83 W/(m.K),熱擴散系數為0.93×10-6 m2/s;相對于單一添加3μm或40μm粉體時,前者分別提高了15.8%和7.0%,后者分別提高了17.7%和12.0%;同時導熱復合材料的體積電阻率、介電特性、力學性能和熱穩定性均能滿足對絕緣導熱材料的要求。
五、鱗片石墨/ZnO導熱PBT材料的制備及性能研究
為提高聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)材料的導熱性能,采用鱗片石墨/ZnO作為導熱填料制備鱗片石墨/ZnO導熱PBT材料。研究單一導熱材料(鱗片石墨或ZnO)和復配導熱填料(鱗片石墨/ZnO)對導熱PBT材料的導熱性能和力學性能的影響。實驗結果表明:鱗片石墨/ZnO作為復配填料能顯著提高PBT材料的導熱性能,當鱗片石墨/ZnO用量為50份時,導熱PBT材料的導熱系數為1.48 W/(m·K),較純PBT材料的0.27 W/(m·K)提高近5.5倍,而隨著鱗片石墨/ZnO用量的增加,導熱PBT材料的力學性能均出現先升后降的現象,當鱗片石墨/ZnO用量為20份時,導熱PBT材料拉伸強度,彎曲強度和沖擊強度均為zui大值分別為77.6 MPa,101.4 MPa和6.04 k J/m2。
六、改性納米氧化鋅/硅橡膠導熱復合材料的性能
采用硬脂酸,硅烷偶聯劑KH570,硅烷偶聯劑A-172分別對納米ZnO進行表面改性處理,將改性納米Zn O與加成型室溫硫化硅橡膠進行復合。結果表明:當填充量為30phr時,A-172改性的復合材料體系導熱系數達到0.47W/(m·K),較未改性的體系,其提升幅度ZUi大達到23%,同時復合材料的體積電阻率無明顯變化,并且介電性能也得到了改善.綜合認為A-172改性的納米Zn O對硅橡膠導熱性能改善有較好的效果。
七、Al2O3/ZnO填充PP導熱絕緣復合材料的制備及性能
如今,電子器件向高集成化,高功率化發展,器件產生的熱量需要及時散出。導熱絕緣復合材料有較好的導熱性和電絕緣性,可以作為電子包裝材料。 本論文以聚丙烯(PP)為樹脂基體,氧化鋁(Al2O3),氧化鋅(ZnO)為導熱填料,采用熔融共混復合制備一種導熱系數高,電絕緣性強,力學性能優良的導熱絕緣復合材料。論文的主要內容: (1)研究了偶聯劑類型,用量,表面處理時間對導熱填料處理效果的影響,填料進行表面處理對復合材料性能的影響。結果表明:選用鈦酸酯偶聯劑,用量為導熱填料質量分數的0.8%時,填料表面處理效果zui佳;填料進行表面處理后對復合材料的導熱系數,力學性能均有所提高。 (2)研究了單一導熱填料種類,填充量,粒徑對導熱絕復合材料導熱系數,體積電阻率,力學性能的影響,對復合材料進行了流變性能,熱穩定性,結晶性能分析。結果表明:隨著ZnO,不同粒徑Al2O3填充量的增大,復合材料的導熱系數增大,體積電阻率變小,當粒徑為40μmAl2O3質量填充分數達到80%時,材料導熱系數達到1.266W/m·K,體積電阻率為7.5×1015·cm。
八、環氧樹脂/氧化鋅晶須/氮化硼導熱絕緣復合材料的研究
以環氧樹脂(EP)為基體,分別以氧化鋅晶須(ZnOW)和ZnOw/氮化硼(BN)混合物為導熱填科,制備了EP導熱絕緣復合材科.研究了填料含量對復合材料導熱性能,電絕緣性能及力學性能的影響,并利用掃描電鏡對復合材料的斷面形貌進行了觀察。結果表明:隨著導熱填料含量的增大,復合材料的導熱系數和介電常數增大,體積電阻率下降,而拉伸強度呈先增大后減小的趨勢;在填料含量相同的情況下,EP/ZnOw/BN復合材料比EP/ZnOw復合材料具有更好的導熱性能;當填科體積分數為15%時,EP/ZnOw/BN復合材料的熱導率為1.06 W/(m·K),而EP/ZnOw復合材料的熱導率為0.98 W/(m·K)。
九、氧化鋅填充PA6制備絕緣導熱塑料的研究
采用十六烷基三甲氧基硅烷對亞微米氧化鋅粉體進行表面有機化改性,將此改性氧化鋅與PA6復合制得導熱PA6塑料,并對其性能進行研究。結果表明:改性后氧化鋅粉體的吸油值比改性前降低了67%;改性氧化鋅粉體在PA6樹脂基體中分散均勻,PA6表現出良好的熔體流動性;當添加改性氧化鋅的體積分數為25%時,PA6塑料表現出良好的導熱性和絕緣性,其熱導率達到1.05 W/(m.K),體積電阻率為7.29×1010Ω.m。
十、ZnO包覆Al2O3填充環氧樹脂的導熱與介電性能
采用溶膠-凝膠法制備出ZnO包覆Al2O3的復合粉體,并將其添加入環氧樹脂中,研究其熱導率和介電常數。結果表明,發現經550℃煅燒2h后,產物的包覆層從水合草酸鋅被煅燒成為ZnO;ZnO峰形尖銳,結晶良好,ZnO較好地包覆在 Al2O3周圍.ZnO包覆Al2O3的復合粉體添加到環氧樹脂后,其熱導率得到明顯改善,且介電常數仍維持在較低水平(小于5).
十一、納米氧化鋅對液體硅橡膠導熱性能的改進研究
以沉淀法合成了納米氧化鋅(ZnO),使用硅烷偶聯劑對其進行表面改性,并制備了納米ZnO與液體硅橡膠的復合材料,對改性前后納米ZnO的結構進行了表征,并對復合材料的相關性能進行了研究。結果表明:通過接枝反應,硅烷偶聯劑可以接枝到納米ZnO表面,改性前后ZnO的晶型不發生變化;在較低添加量的情況下,納米ZnO可以在一定程度上提高液體硅橡膠的力學性能,當添加量為2%時,改性前后納米ZnO制備的液體硅橡膠復合材料的導熱系數可以從0.189W/m.K分別提高到0.506W/m.K和0.61W/m.K。
十二、ZnO在Al2O3/導熱環氧樹脂灌封膠中的應用研究
采用硅烷偶聯劑KH-560對ZnO粉體表面改性,研究了ZnO粒徑及用量對Al2O3/導熱環氧樹脂灌封膠導熱系數、粘度、拉伸剪切強度、沉降率、觸變指數、耐熱性的影響。結果表明:表面改性后的ZnO粉體顆粒分散均勻,無明顯團聚現象;相同用量時,填充0.5μm ZnO的樹脂體系的綜合性能較5μm ZnO體系好。隨ZnO用量的增加,灌封膠的導熱系數、拉伸剪切強度、觸變指數均呈先增大后減小的趨勢,ZnO添加質量分數為20%時灌封膠導熱系數、拉伸剪切強度大,分別為0.84 W/(m·K)、16.78 MPa,ZnO添加質量分數為60%時觸變指數Zui大為1.89。隨ZnO用量的增加灌封膠的粘度、耐熱性均逐漸增大,沉降率逐漸降低。
十三、氰酸酯樹脂/氧化鋅晶須/石墨烯納米片導熱復合材料研究
采用四針狀氧化鋅晶須(ZnOw)和石墨烯納米片(GNP)改性氰酸酯樹脂(CE)制備了系列導熱絕緣復合材料,研究了填料的種類和用量對氰酸酯復合材料導熱,絕緣及熱穩定性能的影響。當樹脂基體中加入50%ZnOw或10%GNP時,復合材料的熱導率分別達到0.77和0.97 W/(m·K),較純樹脂基體材料分別提高了185%和259%.將ZnOw與GNP混合填充氰酸酯樹脂則更有利于提高復合材料的導熱性能,當樹脂基體中加入40%ZnOw和10%GNP混合填料時,復合材料的熱導率可達到1.54 W/(m·K),較純樹脂基體材料提高了470%,并且該復合材料仍能夠保持良好的電絕緣性能.TGA結果表明,石墨烯納米片和氧化鋅晶須的加入可以明顯提高氰酸酯樹脂復合材料的熱穩定性。
十四、ZnO/EP復合材料的制備及其導熱性能
采用溶膠-凝膠法制備纖鋅礦型氧化鋅(zinc oxide,ZnO)粉體,考察了煅燒溫度對ZnO粉體質量的影響;將不同煅燒溫度獲得的ZnO填充于環氧樹脂(EP)得到系列ZnO/EP復合材料,采用紅外光譜儀和場發射掃描電子顯微鏡對ZnO/EP復合材料進行結構和形貌表征,研究了ZnO粉體粒徑及填充量對ZnO/EP復合材料導熱性能的影響。結果表明,ZnO粉體粒徑隨煅燒溫度升高而增大,其中700℃下制得的ZnO粉體粒徑大且純度高.當ZnO填充量一定時,ZnO粉體粒徑越大,越有利于提升ZnO/EP復合材料的導熱性能;隨ZnO填充量的增加,ZnO/EP復合材料的熱導率不斷提高,當ZnO體積分數為30.05%時,復合材料熱導率達到0.54 W/(m·K),較純環氧樹脂提高了184%,且保持良好的力學性能。
十五、導熱ZnO/EP復合材料的制備與性能研究
以ZnO粉體,環氧樹脂E-51等原料通過溶膠-凝膠法制備ZnO/EP復合材料。采用X射線衍射(XRD),掃描電鏡(SEM)等對其進行表征,研究ZnO填充量對其力學性能和導熱性能的影響。結果表明:隨著ZnO粉體填充量的增加ZnO/EP復合材料的熱導率逐漸升高,但力學性能有所下降,ZnO粉體填充量為40%時熱導率達到了0.67W(m·K),較EP提高了272.2%。ZnO粉體的ZUi佳填充量為20%。
十六、導熱絕緣環氧樹脂/ZnO復合材料的制備及其性能研究
以雙酚F環氧樹脂為基體,以ZnO為導熱填料,制備了EP導熱絕緣復合材料。用硅烷偶聯劑KH-570對氧化鋅進行了改性,并研究了改性后的ZnO含量對復合材料力學性能,電絕緣性能以及導熱性能的影響。實驗結果表明:隨著填料含量的增加,力學性能出現先降低后增大的現象,并在ZnO含量為15wt%時性能ZUi好;介電性能略有改變但仍然維持了聚合物材料所具有的低介電常數和低介電損耗的特點;復合材料的導熱系數呈增加趨勢,表明ZnO有效改善了樹脂的導熱性能。
