纳米石墨微片材料对复合材料的热性能影响研究(7)
碳纤文（CF）是一种比较传统的导热填料[14]，CF的轴向方向导热率高达2000W/m·K，而横切轴方向导热率在10~110 W/m·K之间。Galleg和Edie等针对CF横截面的形状对其导热率的影响进行了研究，他们通过对比两种不同方式制备成的带状CF与传统CF，带状CF的导热性要优于传统CF。
颗粒状的复合材料导热填料的种类非常多，包括炭黑、部分氮化物、金属的氧化物、金属粉等。颗粒状填料大部分都是内部结构稳定的无机物，它们本身的导热率由其内部结构决定，不受粒径大小的影响。但是不同粒径大小的填料填充到聚合物中时，会对复合材料热性能产生很大的影响。填料粒径越大，则颗粒与颗粒之间更易于发生相互搭接，今儿更有利于形成导热通路。但是如果填料尺寸太大就会在颗粒之间形成较大的空隙，基体材料将会在这种空隙处填充，这种结构增加了声子的散射，不利于热量在复合材料内部的传递；尺寸大的填料不能和基体很好地结合，容易产生内部结构地缺陷，进而将导致复合材料导热性能的下降，更为不利的是这种缺陷会严重降低材料的强度、硬度等力学性能。如果填料尺寸太小，形成相同长度的导热通路需要更多的填料粒子，增加了粒子与粒子之间接触面，使得声子散射加强，引起界面热阻的增加，对改善复合材料热性能不利[15]。颗粒类的填料经常组成混合填料，二者可以达到很好的效果。
常见的片状填料有氮化硼、石墨以及石墨烯等，片状填料必须考虑比表面积因素。填料的片状厚度、大小、取向性等会对复合材料的导热性产生直接影响[16]。研究证实，相对于纤文状和颗粒状填料，晶须状和片状等形状比大的填料在填充到基体中后更容易形成导热通路，利于提高材料导热性能。Yu等研究了环氧树脂基石墨烯复合材料的热性能，石墨烯可以采用高温剥离插层石墨的方法来制备，使用的填料制备温度分别是200℃ ,400℃, 800℃。在800℃条件下高温处理得到的石墨烯，层数约为4层，对改善复合材料热性能有着良好效果。在25vol%的石墨烯含量下，复合材料的导热率达到了6.44 W/m·K,改善效果远远超过传统填料，相当于传统填料70%添加量产生的效果。
1.3.2 复合材料内部结构的影响
除了不同填料对复合材料热性能有重要的影响外，复合材料的内部结构对于复合材料导热性能的影响也不可忽视。
复合材料的内部结构主要体现在填料含量、填料分散取向、聚合物与填料之间的结合。复合材料的导热性之所以得不到很好地改善，很大程度上决定于材料的内部结构，因为导热即使填料的导热率很高，如果与聚合物之间配合不是很好，也无法得到高导热的复合材料。由于高分子材料内部高分子链的声子散射很严重，所以一般高分子材料的导热率都比较低。同样对于复合材料，聚合物与聚合物之间、填料与填料之间、填料与聚合物之间的声子散射造成的表面热阻是限制复合材料导热性提高的最主要原因。
一般来讲，随着导热填料的含量增加，复合材料的导热性会越来越好。另外由于高分子材料自身有一定的导热系数，所以填充性导热复合材料没有一个突变值，这点与导电复合材料不同，没有一个“渗滤”阀值，但是有一个范围值，当超过某个填料含量范围时，复合材料的热导率的增长速率降低。研究表明出现这种情况主要是因为填料含量低时，填料之间的还未形成良好的导热通路，而随着填料含量不断提高，导热通路越来越完美，导热率的增长率也会变快；当填料含量继续增加到一定值时，复合材料内部导热通路己经形成，此时如果继续增加填料含量，填料与填料之间的形成的界面面积将不断增加，相应的声子界面散射程度增加，导致材料导热率的增长率速率有所降低。另外高分子材料的加工性能和力学性能也会受到填料加入的影响。如果填料的含量过高，会使高分子材料的流动性降低，影响材料加工性能；另外填料过多时，容易出现团聚现象，比如说石墨烯和碳纳米管等，填料的团聚造成材料内部结构不均一，出现缺陷，最终导致材料力学性能下降。所以一地增加填料含量来提高复合材料导热性在实际生产应用中并不可行，还必须综合衡量材料的力学性能变化。