中國粉體網(wǎng)訊 隨著電子器件的持續(xù)微型化，工作頻率不斷增加導(dǎo)致器件的工作溫度不斷上升，其性能、穩(wěn)定性和壽命正經(jīng)受日益嚴(yán)峻的考驗。例如，電子器件的壽命與工作溫度點成指數(shù)關(guān)系，當(dāng)工作溫度僅升高10～15℃時，可導(dǎo)致電子設(shè)備的壽命減少兩倍。此外，一些新應(yīng)用的出現(xiàn)，例如三維芯片、發(fā)光二極管和智能的電子產(chǎn)業(yè)，散熱已經(jīng)成為一個具有挑戰(zhàn)性的問題。因此采用高導(dǎo)熱材料將電子設(shè)備中產(chǎn)生的熱量快速有效地移除以維持設(shè)備的操作溫度顯得尤為必要。
目前，聚合物材料憑借優(yōu)異的電氣絕緣性能、機械加工性能、輕質(zhì)及低廉的價格而廣泛應(yīng)用于電子封裝與電氣絕緣領(lǐng)域。但是，聚合物材料的導(dǎo)熱性能往往不盡人意，大部分聚合物熱導(dǎo)率在0.1～0.5W/(m·K)之間，顯然其已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足日益增長的散熱需求。目前，引入高導(dǎo)熱填料制備聚合物基復(fù)合材料是廣泛認(rèn)同的提高材料整體導(dǎo)熱性能的可行方法。（5月29日，中國粉體網(wǎng)將在南京舉辦2024高導(dǎo)熱材料與應(yīng)用技術(shù)大會，組委會有幸邀請到華南理工大學(xué)何慧教授現(xiàn)場作題為《高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的設(shè)計策略》報告，歡迎報名參會）
常用聚合物絕緣材料基體
用于電子與電氣領(lǐng)域的聚合物絕緣材料自身必須具備優(yōu)異的絕緣性能、化學(xué)穩(wěn)定性、力學(xué)性能及易于加工成型。常用的材料主要有聚乙烯（PE），聚丙烯（PP），聚酰亞胺（PI），硅橡膠（SiR）及環(huán)氧樹脂等。
常見聚合物材料熱導(dǎo)率（室溫）
導(dǎo)熱填料
高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能的提高很大程度取決于填充顆粒的選擇。
根據(jù)填料材料種類的不同，可以將填料分為金屬填料、陶瓷填料和碳填料。根據(jù)填料是否導(dǎo)電，則可以將填料分為電絕緣無機導(dǎo)熱填料和非電絕緣導(dǎo)熱填料，其中電絕緣無機導(dǎo)熱填料主要指高導(dǎo)熱陶瓷填料，而非電絕緣導(dǎo)熱填料指的是同時具備高導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率的金屬填料、碳基填料和部分陶瓷填料。通過填充導(dǎo)熱填料，聚合物的熱導(dǎo)率可以大幅度提高，從而制得不同導(dǎo)熱性能的聚合物復(fù)合材料，但是填料的添加量應(yīng)盡可能低，使填料對聚合物的力學(xué)性能和其他性能的影響降到最低，同時不會顯著增加成本。
室溫下常見填料的導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)（W/m·K）
（1）金屬填料
金屬本身為熱的良導(dǎo)體，主要依靠金屬填料內(nèi)部電子的定向移動來進行熱傳遞，因此金屬填料不僅具有高導(dǎo)熱性同時導(dǎo)電性也好，常用的金屬填料主要有金、銀、銅、鐵等。金屬填料與高分子聚合物之間在物理性能上存在著巨大差異，特別是熱膨脹系數(shù)、彈性模量、流變性能和表面張力等，在使用金屬填料填充高分子材料時，需要克服諸多困難。
（2）陶瓷填料
聚合物材料得以在電子科技領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用，除了本身的力學(xué)性能以外，還有一部分要歸功于其良好的電絕緣性能，所以在通過添加高導(dǎo)熱填料來提高聚合物的導(dǎo)熱性能，同時應(yīng)盡量避免對聚合物原有的電絕緣性能產(chǎn)生影響，在此理念上，許多研究者將目光集中于研究高導(dǎo)熱且電絕緣的陶瓷填料。陶瓷填料主要有氧化鋁、氮化鋁、氮化硼、氧化鎂、氮化硅等。
（3）碳基填料
碳基材料主要包括石墨、石墨烯、碳納米管、碳纖維等，由于它們固有的高導(dǎo)熱性能已經(jīng)被廣泛用作導(dǎo)熱填料，甚至在較低填充量下就能有效提高材料的熱導(dǎo)率，并與金屬和陶瓷材料相比它們具有質(zhì)量輕的優(yōu)點。在較多碳基材料當(dāng)中，炭黑具有相對較低的熱導(dǎo)率，因此不作為提高材料導(dǎo)熱的一個填料。與其他的納米碳材料相比，石墨烯具有低填充、高導(dǎo)熱的特性。因此，選用石墨烯作為導(dǎo)熱填料已經(jīng)成為目前提高材料導(dǎo)熱的一個趨勢。
復(fù)合材料導(dǎo)熱性能影響因素
除了填料本身的熱導(dǎo)率外，影響復(fù)合材料熱導(dǎo)率的主要因素有填充量、顆粒形狀、顆粒尺寸、填料與基體之間的結(jié)合力以及界面的熱性能等。
（1）填料填充量
一般來說，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨著填充量的增加而增加，且一般不是線性增加。在較低的填充量(＜35%)下熱導(dǎo)率的增加量很小，只有在較大的填充量下才能觀察到較大幅度的改善。這意味著在高填充量下，填充物連接形成了高效的導(dǎo)熱通路，目前已有很多模型描述了這種現(xiàn)象。應(yīng)該注意的是，提高填充量在提高熱導(dǎo)率的同時也會導(dǎo)致復(fù)合材料變得脆弱，加工性能變差，且成本高。
高填充量在基體中形成導(dǎo)熱通路示意圖
（2）填料形狀
填充物形狀對聚合物復(fù)合材料的熱導(dǎo)率也有重要的影響。與其他形狀的填充劑相比，一維填充物，如纖維、棒材、導(dǎo)線或管，理論上能顯著提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，因為它們更容易在復(fù)合材料的一維填充物的縱向方向上形成導(dǎo)熱通道。
一般而言，填料填充量很高才能獲得較高的熱導(dǎo)率。然而，高填充量會導(dǎo)致復(fù)合材料的黏度顯著增加，并降低其加工性能．因此，尋找加工性能與熱導(dǎo)率的平衡是制備復(fù)合材料的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。球形填料能很好地解決這一問題，球形Al2O3、AlN、Si3N4、SiC等已用于導(dǎo)熱復(fù)合材料。即使對于那些有片狀晶體結(jié)構(gòu)的材料，例如BN，也已經(jīng)開發(fā)了各種各樣的方法來合成球形填充物，這可能會允許更高的填充量和提高加工性。
（3）填料尺寸
當(dāng)填料為單一尺寸時，填充量相同時，大粒徑填料填充的復(fù)合材料的導(dǎo)熱率往往比小粒徑填充的復(fù)合材料的導(dǎo)熱率高，這是因為大顆粒之間的界面接觸較少，界面熱阻較低。然而，粒徑也不能過大，否則，填料之間不能形成密堆積，不利于導(dǎo)熱通路的形成。
不同尺寸導(dǎo)熱填料顆粒級配示意圖
目前，行業(yè)上多采用不同粒徑的填料搭配使用，以獲得較高的導(dǎo)熱率。選用不同尺寸的顆粒作為混合填料填充到基體材料中，大顆粒構(gòu)成主要的導(dǎo)熱通路，將小顆粒填充到大顆粒間的空隙中以形成更為豐富的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的提高。
（4）表面處理
很多表面改性劑已被用于改性填料表面以減少界面熱阻，包括表面活性劑、偶聯(lián)劑、有機硅烷和鈦酸鹽、功能聚合物和無機涂料等。然而，必須指出的是，表面功能化可能并不總能提高材料的熱導(dǎo)率，因為在進行表面功能化的同時也造成了缺陷．例如，用強酸處理碳納米管，將羧基引入碳納米管表面，功能化增加了界面耦合，但也導(dǎo)致了缺陷的形成，阻礙了碳納米管聲子的傳輸。
參考來源：
[1]李寒梅等.高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能研究進展
[2]韓志東等.導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的研究進展
[3]杜伯學(xué)等.高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料研究進展
[4]施瑤.高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的制備與性能研究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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