中國粉體網(wǎng)訊 熱界面材料不僅廣泛用于電子設(shè)備的散熱,，在5G通訊、新能源汽車等方面的需求也日益增多,，此外在軍事裝備和航空航天領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景,。
作為一類導(dǎo)熱材料，導(dǎo)熱性能自然是熱界面材料最重要的技術(shù)指標(biāo),。常用的熱界面材料主要為填充型,，主要是通過在聚合物基體中填充高導(dǎo)熱的填料制備而成。
通常情況下,，聚合物基體的固有熱導(dǎo)率都比較低（約為0.2W/(m·K)）,，因此，熱界面材料的導(dǎo)熱性能往往由填料說了算,。
種類不同,，導(dǎo)熱能力不同
常用的導(dǎo)熱填料主要可以分為：金屬類導(dǎo)熱填料，碳材料類導(dǎo)熱填料,，無機(jī)導(dǎo)熱填料,。
常見導(dǎo)熱填料的導(dǎo)熱系數(shù)
金屬都具有良好的導(dǎo)熱性，導(dǎo)熱系數(shù)較高,，是一類常用的導(dǎo)熱填料,。常用的金屬類導(dǎo)熱填料主要包括金粉、銀粉,、銅粉,、鋁粉、鋅粉,、鎳粉以及低熔點(diǎn)合金,。
碳材料通常具有極高的導(dǎo)熱系數(shù)，比金屬填料的導(dǎo)熱性還要好,。添加的碳填料的固有導(dǎo)熱性是決定碳基聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)熱性最重要的參數(shù)之一,。常用的碳材料有石墨、碳納米管,、石墨烯,、膨脹石墨、碳纖維和炭黑等,。其中碳納米管的導(dǎo)熱系數(shù)為3100-3500W/(m·K),，石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)為2000-5200W/(m·K),，是熱管理應(yīng)用的有希望的候選者。
陶瓷填料不僅具有良好的導(dǎo)熱性,，而且具備比較低的導(dǎo)電性,，是目前應(yīng)用最為廣泛的填料。常用的陶瓷填料主要有氧化物類和氮化物類兩種,。氧化物類包括Al2O3,、ZnO、MgO等,；氮化物類包括：AlN、BN等,。
形狀不同,，導(dǎo)熱能力不同
導(dǎo)熱填料有球形、不規(guī)則形狀,、纖維狀和片狀等各種形狀,。與零維材料相比，具有超高長徑比的一維材料(例如,，碳納米管,、碳纖維等)和二維材料(例如，石墨烯,、六方氮化硼和片狀氧化鋁等)可以在填料與填料之間形成較大的接觸面積,，為聲子的傳遞提供了更廣闊的通路，降低了界面接觸熱阻,，有利于體系中導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建,。然而，由于球形填料在高填充時(shí),，不會(huì)導(dǎo)致黏度的急劇增加,，在工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。
不同形貌的Al2O3的SEM圖
尺寸不同,，導(dǎo)熱能力不同
導(dǎo)熱填料的尺寸也會(huì)對(duì)導(dǎo)熱復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能有顯著影響,。
當(dāng)填料為單一尺寸時(shí)，填充量相同時(shí),，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?yàn)榇箢w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(jí)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(shí)現(xiàn)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的提高。
填充量不同,，導(dǎo)熱能力不同
當(dāng)填充量不足時(shí),，填料分散在基體中，為孤立存在的狀態(tài),，不能形成連續(xù)地導(dǎo)熱通路,，此時(shí)復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能的提高主要依賴于導(dǎo)熱填料的增加。當(dāng)高于逾滲閾值濃度,，導(dǎo)熱填料在基體中形成具有高導(dǎo)熱率的連續(xù)滲透結(jié)構(gòu),，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著填料含量的增加而呈指數(shù)性地增加。當(dāng)導(dǎo)熱填料填充量高于60-70vol.%,，導(dǎo)熱填料在基體中形成連續(xù)豐富的熱傳導(dǎo)路徑,。
高填充量在基體中形成導(dǎo)熱通路示意圖
然而，高的填充量會(huì)導(dǎo)致成本的增加,、質(zhì)量的增加和力學(xué)性能的降低,，這些都會(huì)降低電子設(shè)備使用性能。因此,，我們需要研發(fā)高性能的復(fù)合材料,，在低填充量的前提下，實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱,，以滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需要,。
表面改性程度不同，導(dǎo)熱能力也不同
界面熱阻一部分來源于界面引起的熱流阻擋,，是由于復(fù)合材料中兩個(gè)組成相之間的機(jī)械或化學(xué)不匹配造成的,。界面熱阻的另一個(gè)來源是導(dǎo)熱填料與基體之間不完美的物理接觸和弱界面粘合。為了解決界面熱阻的問題,，填料的表面化學(xué)功能化被認(rèn)為是一種有效的方法,。填料的表面化學(xué)官能化可形成共價(jià)橋鍵，從而改善界面粘附性,，通過互連顆粒-樹脂和顆粒-顆粒界面,，可使界面聲子散射最小化。為了提高聚合物復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，表面處理已應(yīng)用于不同的填料,，如氮化硼納米管,，石墨烯等。導(dǎo)熱填料可以通過使用不同的試劑如丙酮,，胺,，硝酸，硫酸,，硅烷等進(jìn)行官能化,。
純度不同，導(dǎo)熱能力也不同
以往,，我國廠商生產(chǎn)的熱界面材料無法媲美國外廠家,，原材料(如有機(jī)硅、氧化鋁,、鋁和氮化鋁)純度不夠是其中一大因素,。
填料中的雜質(zhì)不但會(huì)對(duì)導(dǎo)熱界面材料電氣性能產(chǎn)生影響，而且對(duì)工藝性能也有一定影響,。
參考來源：
[1]朱晴.高導(dǎo)熱熱界面材料的制備及其導(dǎo)熱性能研究
[2]孟凡成.導(dǎo)熱界面材料的制備與性能研究
[3]李建忠等.導(dǎo)熱界面材料及導(dǎo)熱填料Al2O3的技術(shù)研究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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