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為什么需要導(dǎo)熱凝膠？
伴隨新能源、消費電子、通訊等行業(yè)的飛速發(fā)展，電子元器件的使用也越來越多，特別是在新能源汽車、5G 手機等電子電器之中，這些設(shè)備在使用過程之中散發(fā)熱量比較大，出于對電子器件安全性以及穩(wěn)定性的考慮，需要采用一些方式對其進(jìn)行降溫，熱界面材料應(yīng)運而生。
熱界面材料主要是由導(dǎo)熱填料與高分子材料組成，可置于電子器件之間填補空隙，實現(xiàn)對于電子器件的有效散熱，主要包括: 導(dǎo)熱硅脂、相變材料、導(dǎo)熱墊片和導(dǎo)熱凝膠。
無熱界面材料填充VS有熱界面材料填充
不同熱界面材料的優(yōu)缺點
其中，導(dǎo)熱凝膠作為一種凝膠狀的導(dǎo)熱材料，因其使用便捷且高效而備受關(guān)注。這種材料可以通過點膠機輕松擠出，不受電子器件形狀和大小的限制，能有效填充發(fā)熱器件和散熱器件之間的微小間隙，達(dá)到給器件降溫的目的。此外，導(dǎo)熱凝膠可以在室溫下硫化，或者利用芯片散發(fā)的熱量進(jìn)行工作中的硫化，這也使得導(dǎo)熱凝膠有著較低的滲油率，從而保證其在使用過程中保持更穩(wěn)定的性能。
導(dǎo)熱凝膠的組成
導(dǎo)熱凝膠根據(jù)基體材料分為硅系和非硅系兩類。硅系導(dǎo)熱凝膠由基礎(chǔ)硅油、交聯(lián)劑、擴鏈劑和導(dǎo)熱填料等組成，非硅系導(dǎo)熱凝膠一般由樹脂和導(dǎo)熱填料組成。
導(dǎo)熱填料的加入是實現(xiàn)導(dǎo)熱凝膠高導(dǎo)熱的必要條件，填料種類、含量、尺寸和形狀對導(dǎo)熱凝膠的熱導(dǎo)率有較大影響，此外填料的結(jié)構(gòu)、空間排列以及取向也對導(dǎo)熱凝膠的熱導(dǎo)率有一定影響。
導(dǎo)熱填料形成傳熱路徑示意
在填料含量較小時，填料顆粒與基體之間形成海島結(jié)構(gòu)，填料顆粒像島嶼一樣分布在基體中，很難相互接觸和重疊，無法形成有效的傳熱路徑，導(dǎo)致復(fù)合材料的熱導(dǎo)率較�。浑S著導(dǎo)熱填料含量的增大，填料顆粒之間相互接觸和重疊，在基體中逐漸建立起連續(xù)的傳熱路徑，從而明顯改善復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。
基體材料
硅系導(dǎo)熱凝膠
硅系導(dǎo)熱凝膠由基礎(chǔ)硅油、交聯(lián)劑、擴鏈劑和導(dǎo)熱填料等組成，目前用于導(dǎo)熱凝膠的基礎(chǔ)硅油主要有二甲基硅油、乙基硅油、羥基硅油、含氫硅油、長鏈烷烴基硅油、氟硅油及各種有機基改性硅油。
在導(dǎo)熱凝膠的制備中，通過調(diào)整基礎(chǔ)硅油的相對分子質(zhì)量、反應(yīng)基團(tuán)數(shù)量和位置可以改善導(dǎo)熱凝膠的力學(xué)性能、涂敷性能、滲油性能、絕緣性能等 。
非硅系導(dǎo)熱凝膠
非硅系的導(dǎo)熱凝膠往往以聚丙烯酸（PAA）、聚氨酯、聚烯烴等樹脂體系為基礎(chǔ)，其特點是易生成相對堅硬的彈性體。
填料
導(dǎo)熱填料主要包括金屬填料、陶瓷填料、碳基材料等，它們通常被認(rèn)為是高導(dǎo)熱復(fù)合材料的理想候選材料。但由于金屬填料中某些金屬易被氧化且對凝膠的塑性有一定影響，在實際使用中綜合考慮導(dǎo)熱性要求，常采用陶瓷材料、碳基材料作為導(dǎo)熱填料。
陶瓷材料
陶瓷材料如Al2O3、AlN、碳化硅、氮化硅、氧化鎂和氮化硼（BN）等具有良好的導(dǎo)熱性能、較小的介電常數(shù)和較大的電阻率等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于填料中。
碳基材料
碳基材料如石墨、石墨烯和碳納米管等因其低密度和高導(dǎo)熱性，已廣泛應(yīng)用于導(dǎo)熱填料。石墨烯以多種形式存在，包括氧化石墨烯（GO）、還原氧化石墨烯和石墨烯納米片（GN）。碳納米管具有單壁碳納米管和多壁碳納米管的形態(tài)。碳基材料的理論熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陶瓷材料，但由于碳基材料的固有缺陷，即分散性差和接觸熱阻高，加入碳基材料的導(dǎo)熱凝膠的熱導(dǎo)率仍然難以超過10 W·m-1·K-1 。
導(dǎo)熱凝膠的應(yīng)用
目前導(dǎo)熱凝膠已在LED燈具、通信設(shè)備、5G基站和汽車電子等領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，如針對手機電子元件熱管理，導(dǎo)熱凝膠可以替代傳統(tǒng)的導(dǎo)熱墊片，均勻地涂覆在芯片的封裝表面，具有成本低、室溫下或電子元件發(fā)熱時固化從而提高接觸面積的特點。
在航空電子設(shè)備中的應(yīng)用
相對于導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱膠和導(dǎo)熱墊片等傳統(tǒng)介質(zhì)材料，導(dǎo)熱硅凝膠作為新型熱界面材料在高低溫性能測試、墜撞安全測試、持續(xù)震動試驗等多項針對性測試中都取得了更好的試驗結(jié)果，可以應(yīng)用于航空電子產(chǎn)品的生產(chǎn)。
在5G電子設(shè)備中的應(yīng)用
導(dǎo)熱硅凝膠材料既可增進(jìn)熱能的傳導(dǎo)效應(yīng)，又能實現(xiàn)熱能的傳導(dǎo)。與傳統(tǒng)的導(dǎo)熱材料相比，將新型導(dǎo)熱硅凝膠材料使用在電子元件的應(yīng)用之中，能夠有效地提升信號的傳播效率，也能促進(jìn)新型導(dǎo)熱硅凝膠材料的高質(zhì)量應(yīng)用。
在動力電池上的應(yīng)用
動力電池絕大部分都采用鋰離子電芯，具有能量密度高和使用壽命長等優(yōu)勢，但也存在較大的安全隱患。當(dāng)遇到水分侵入、短路、過載、外殼破損和溫度過高等情形時，鋰電池有發(fā)生燃燒、甚至爆炸的風(fēng)險，這也為鋰離子電池的安全使用帶來了挑戰(zhàn)。在電動汽車正常行駛過程中，鋰電池可能承受的沖擊包括持續(xù)振動、大幅溫度變化、雨水浸泡等，而在電池故障及交通意外條件下（如撞擊、墜河），可能承受的沖擊還包括局部短路、過載、強機械沖擊、水或其他液體浸泡、火災(zāi)等。
因此，在復(fù)雜甚至意外環(huán)境下維持鋰電池的安全運行，保護(hù)電動車內(nèi)駕乘人員的安全，是各方都追求的目標(biāo)。導(dǎo)熱硅凝膠能起到防水密封、阻燃密封、散熱以及減震固定的作用，則能夠大大提升動力電池組的安全性能。
參考來源
[1]陳維斌.導(dǎo)熱硅凝膠的研究與應(yīng)用進(jìn)展
[2]繆小冬等.導(dǎo)熱凝膠的研究進(jìn)展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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