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60 wt% 填充 PEEK 导热 8 W·m⁻¹·K⁻¹ 的秘诀

60 wt% 填充 PEEK 导热 8 W·m⁻¹·K⁻¹ 的秘诀 中科精研材料制备技术研究院
2025-07-16
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研究痛点

聚醚醚酮(PEEK)在 5G、电动汽车与航空电子的热管理中备受青睐,但要把导热系数从 0.25 W m⁻¹ K⁻¹ 提升到工程级别,需要大量填料。传统高填充路线往往陷入三大困境:

  • 熔体黏度飙升,双螺杆挤不动;

  • h-BN 片层与 PEEK 亲和力差,界面空隙多;

  • AlS 颗粒易团聚,热通路被“堵死”。

土耳其 Sabancı Üniversitesi 的研究团队用 h-BN 与铝硅酸盐 AlS 组成双填料体系,通过一次优化后的共挤出工艺,把上述难题同步解决。


材料与工艺

  • 基体:Vestakeep 4500 PEEK

  • 填料:h-BN 片层 5–10 µm,AlS 颗粒 2–5 µm

  • 总填充量:60 wt%

  • 挤出温度:360→390 °C 递减设置,螺杆转速 250 rpm

  • 注塑:390 °C / 150 MPa 直接成型


关键结果

导热性能
50 wt% h-BN + 10 wt% AlS 的配比下,面内导热系数冲到 7.99 W m⁻¹ K⁻¹,比纯 PEEK 提高 30 倍;贯穿面导热系数达到 1.79 W m⁻¹ K⁻¹,提升 7 倍。60 wt% AlS 单填料对比样,面内值只有 1.3 W m⁻¹ K⁻¹,可见 h-BN 片层是高速热通路的主角,而 AlS 负责“填缝”降低界面热阻。


机械性能
纯 PEEK 拉伸强度 97 MPa。若全部换成 60 wt% h-BN,强度跌至 67 MPa。引入 50 wt% AlS 后,10 wt% h-BN/50 wt% AlS 配方的拉伸强度回到 96.3 MPa,几乎与纯树脂持平,比单一 h-BN 体系提升 44%。AlS 颗粒在基体中起到刚架作用,分担载荷,弥补了 h-BN 带来的脆化。


形貌与机理
SEM 观察显示,60 wt% AlS 样品中可见明显空隙;而 50BN-10AlS 样品里,h-BN 片层像桥梁一样跨越 AlS 颗粒,空隙率下降约八成。这种致密化协同效应既构建了连续导热网络,又抑制了应力集中。


温度稳定性
25 °C 到 250 °C 的激光闪射测试表明,所有复合材料的导热系数下降幅度小于 5%,足以覆盖功率器件的长期服役温区。



该共挤出路线具备直接放大到 8 英寸片材的潜力,后续将验证对 hBN、过渡金属硫化物等其他二维填料的普适性,并进一步优化铜合金衬底的高温尺寸稳定性。


在“毫秒-秒级”超快热场控制领域,中科精研已构建 “闪蒸-秒烧-长时”三大系列、五款成熟机型,为导热/储能/催化材料提供一站式超高温解决方案:

1️⃣ FJH 焦耳闪蒸加热装置

  • 升温速率:2000–10000 K/s

  • 极限温度:>3000 °C

  • 烧结时间:0.1–100 ms

  • 典型应用:石墨烯快速石墨化、高熵合金纳米颗粒瞬态合成

2️⃣ HTS 焦耳超快加热装置

  • 升温速率:100–1000 K/s

  • 工作窗口:1 s–10 min

  • 测温精度:±2 °C(100–3200 °C 分段)

  • 已在 50 wt% h-BN/PEEK 片材上实现 取向度提升 28 %、贯穿面导热再增 0.5 W·m⁻¹·K⁻¹

3️⃣ HTL 焦耳高温长时加热装置

  • 连续运行:0–24 h

  • 温控区间:100–3200 °C

  • 适配 8 英寸卷材/晶圆,兼容惰性/还原/真空气氛

  • 用于固态电解质、金属玻璃带材退火与致密化

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