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)受日益嚴峻的考驗。例如，電子器件的壽命與工作溫度點成指數(shù)關系，當工作溫度僅升高10～15℃時，可導致電子設備的壽命減少兩倍。此外，一些新應用的出現(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。因此采用高導熱材料將電子設備中產(chǎn)生的熱量快速有效地移除以維持設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、輕質及低廉的價格而廣泛應用于電子封裝與電氣絕緣領域。但是，聚合物材料的導熱性能往往不盡人意，大部分聚合物熱導率在0.1～0.5W/(m·K)之間，顯然其已經(jīng)遠遠不能滿足日益增長的散熱需求。目前，引入高導熱填料制備聚合物基復合材料是廣泛認同的提高材料整體導熱性能的可行方法。（5月29日，中國粉體網(wǎng)將在南京舉辦2024高導熱材料與應用技術大會，組委會有幸邀請到華南理工大學何慧教授現(xiàn)場作題為《高導熱聚合物復合材料的設計策略》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、化學穩(wěn)定性、力學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率（室溫）
導熱填料
高導熱聚合物基復合材料的導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)填料是否導電，則可以將填料分為電絕緣無機導熱填料和非電絕緣導熱填料，其中電絕緣無機導熱填料主要指高導熱陶瓷填料，而非電絕緣導熱填料指的是同時具備高導電率和導熱率的金屬填料、碳基填料和部分陶瓷填料。通過填充導熱填料，聚合物的熱導率可以大幅度提高，從而制得不同導熱性能的聚合物復合材料，但是填料的添加量應盡可能低，使填料對聚合物的力學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熱性同時導電性也好，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域的大規(guī)模應用，除了本身的力學性能以外，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熱填料來提高聚合物的導熱性能，同時應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熱性能已經(jīng)被廣泛用作導熱填料，甚至在較低填充量下就能有效提高材料的熱導率，并與金屬和陶瓷材料相比它們具有質量輕的優(yōu)點。在較多碳基材料當中，炭黑具有相對較低的熱導率，因此不作為提高材料導熱的一個填料。與其他的納米碳材料相比，石墨烯具有低填充、高導熱的特性。因此，選用石墨烯作為導熱填料已經(jīng)成為目前提高材料導熱的一個趨勢。
復合材料導熱性能影響因素
除了填料本身的熱導率外，影響復合材料熱導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合力以及界面的熱性能等。
（1）填料填充量
一般來說，復合材料的熱導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熱通路，目前已有很多模型描述了這種現(xiàn)象。應該注意的是，提高填充量在提高熱導率的同時也會導致復合材料變得脆弱，加工性能變差，且成本高。
高填充量在基體中形成導熱通路示意圖
（2）填料形狀
填充物形狀對聚合物復合材料的熱導率也有重要的影響。與其他形狀的填充劑相比，一維填充物，如纖維、棒材、導線或管，理論上能顯著提高復合材料的熱導率，因為它們更容易在復合材料的一維填充物的縱向方向上形成導熱通道。
一般而言，填料填充量很高才能獲得較高的熱導率。然而，高填充量會導致復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率的平衡是制備復合材料的關鍵挑戰(zhàn)。球形填料能很好地解決這一問題，球形Al2O3、AlN、Si3N4、SiC等已用于導熱復合材料。即使對于那些有片狀晶體結構的材料，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
當填料為單一尺寸時，填充量相同時，大粒徑填料填充的復合材料的導熱率往往比小粒徑填充的復合材料的導熱率高，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，不利于導熱通路的形成。
不同尺寸導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，大顆粒構成主要的導熱通路，將小顆粒填充到大顆粒間的空隙中以形成更為豐富的導熱網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)復合材料導熱性能的提高。
（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.高導熱聚合物復合材料結構與性能研究進展
[2]韓志東等.導熱聚合物復合材料的研究進展
[3]杜伯學等.高導熱聚合物基復合材料研究進展
[4]施瑤.高導熱聚合物復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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