中国粉体网讯 随着电气电子设备向高功率密度化、小型轻化和高度集成化方向的发展，设备单位体积内所产生的热量急剧增加，热量的不断积累及由此产生的温升会加速绝缘电介质的老化失效，极大地降低电气电子设备运行的可靠性和寿命。对电子器件来说，每超过额定温度2℃，可靠性降低10%。变压器绕组温度每增加6℃，预期寿命缩短一半。因此，散热是制约电气电子设备高功率密度化和高度集成化的瓶颈问题。
近年来，国内工业界相继开发出了高导热环氧树脂、高导热橡胶、高导热硅脂、导热相变材料等产品，但在性能上与国外产品相比仍有很大差距，很多高端领域应用的高导热绝缘材料长期被国外垄断，成为我国电气电子装备制造业发展的瓶颈问题之一。研制高导热绝缘材料，解决电气电子设备的结构散热问题，制备具有优良综合性能的高导热聚合物绝缘材料正成为国际电气电子绝缘领域的研究热点。
高导热绝缘材料的种类
填充型高导热绝缘材料
包括环氧/硅胶基高导热灌封胶、环氧基高导热胶黏剂、高导热硅胶垫片、高导热硅脂等。
（1）环氧树脂：由于具有优异的粘结性、耐腐蚀性和介电性能及优良的工艺性而广泛应用于电气设备绝缘(如大型发电机、电动机、磁悬浮列车电磁铁、干式变压器、GIS盆式绝缘子、硅橡胶绝缘子芯棒等)和微电子设备绝缘封装(如功率集成电路、大功率激光器、高亮度发光二极管、太阳能电池、IGBT和MOSFET等)。
然而，纯环氧树脂的热导率仅约为0.2 W/(m·K)。近年来，国内外对填充型环氧树脂基高导热微纳米复合绝缘材料进行了大量研究，主要包括填料种类及含量、表面处理、填料形状尺寸等因素对复合材料热导率、电气绝缘性能及其他性能的影响。
（2）硅橡胶：是以线型聚有机硅氧烷为基料，加入交联剂、催化剂、抑制剂以及其他助剂，在一定条件下发生化学反应形成的网状弹性体。硅橡胶也具有非常优越的电绝缘性能。硅橡胶作为高分子基体最大的优势就是高温稳定性，其本身的热分解温度能达到300℃。导热硅橡胶赋予了硅橡胶的导热能力，集成了硅橡胶减震、绝缘以及良好的导热能力等，广泛应用于电力电子器件、航天航空、通信、LED照明、电动汽车等领域。填充型导热硅橡胶是在硅橡胶中加入大量高导热填料形成的硅橡胶基微纳米复合绝缘材料，包括导热硅胶垫片、导热硅凝胶。
（3）导热硅脂：又称散热膏，是以有机硅酮为基体，添加导热填料以及各种助剂，经混合研磨加工的脂状物高分子材料，具有低油离度、耐高低温、耐气候老化、耐水等优良特性。导热硅脂是一种具有高导热性能的有机硅复合材料，可在-50～200℃的温度下长时间保持脂膏状，具有其他界面无法替代的作用，可广泛涂覆于发热体与散热器件之间的界面，如CPU、微波器件、温度传感器、电源模块、汽车电子零部件等。ZnO和Al2O3是常用的导热填料。而AlN会吸油，严重不利于分散在硅脂基体中，需要经过表面改性才能提高填充量。
（4）相变材料：是一种具备释放和吸收相变潜热功能的材料，在能量存储与温度控制方面有重要的应用。相变材料控温原理主要是利用相变材料在低温状态下的熔化、升华过程来吸收热量，并在需要升温时释放储存的热量。导热相变材料通常是向相变材料中添加高导热填料来提高其散热能力。
（5）导热填料：目前，用来制备导热绝缘聚合物复合材料的填料主要有碳类（碳纳米管、石墨烯）、无机粒子和金属（银、铜）等填料。无机粒子分别有氮化物，如氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)等；氧化物，如氧化镁(MgO)、氧化铝(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化铍(BeO)；碳化物，应用较多的主要是碳化硅(SiC)。
陶瓷基导热绝缘材料
陶瓷封装具有耐热性好、不易产生裂纹、热冲击后不产生损伤、机械强度高、热膨胀系数小、电绝缘性能高、热导率高、高频特性、化学稳定性高、气密性好等优点，适用于航空航天、军事工程所要求的高可靠、高频、耐高温、气密性强的产品封装。由于陶瓷材料所具有的良好的综合性能，使其广泛用于混合集成电路和多芯片模组。在要求高密封的场合，可选用陶瓷封装。
国外的陶瓷封装材料以日本居首，日本占据了美国陶瓷封装市场的90%～95%，并且占美国国防（军品）陶瓷封装市场的95%～98%。传统的陶瓷封装材料是Al2O3陶瓷，具有良好的绝缘性、化学稳定性和力学性能，掺杂某些物质可满足特殊封装的要求，且价格低廉，是目前主要的陶瓷封装材料。
SiC的热导率很高，是Al2O3的十几倍，热膨胀系数也低于Al2O3和AlN，但是SiC的介电常数过高，所以仅适用于密度较低的封装。AlN陶瓷是被国内外专家最为看好的封装材料，具有与SiC相接近的高热导率，热膨胀系数低于Al2O3，断裂强度大于Al2O3，维氏硬度是Al2O3的一半，与Al2O3相比，AlN的低密度可使重量降低20%，因此AlN封装材料引起国内外封装界越来越广泛的重视。
高导热绝缘材料在高科技领域的应用
在电动汽车领域的应用
电动汽车动力电池模块、驱动电机和电控系统是电动汽车的三大核心部件，其在工作中会产生大量热量，热量不及时散发会降低各部件的性能和寿命，严重的可能会引起线路短路，造成车辆自燃。此外，充电桩的工作性能以及安全运行也与温度密切相关。良好的散热条件是动力电池、驱动电机和充电桩处于合适工作温度的基本保障。采用高导热绝缘材料能够更加有效地降低各部件的温度以及维持各部件的温度一致，从而保证电动汽车的核心部件“三电”与充电桩的安全性能与使用寿命。
在不断增加电池组数量和重量的情况下，如何快速散热一直是困扰电动汽车电池的一个难题。目前，大多数研究是基于相变材料(PCM)配合其他组件来设计电池包热管理系统，电池的温度可以长期保持在相变温度附近范围内，而且基于相变材料的设计具有较为强大的散热能力以及紧凑的结构。
相变材料在电池组中应用模式
现在对电动汽车热管理系统的设计仍处于研究阶段，虽然已经有成熟的冷却系统投入使用，但也存在着体积大、成本高以及水冷导致的安全隐患问题，对主动冷却系统的改进仍是主要攻克的问题。热传导聚合物复合材料为电池组热系统设计开辟了一扇新的窗口，结合设计的导热系统，可有效促进电池组的导热散热，提高安全性能。
高导热材料在电池组中应用示意图
在电子封装领域的应用
由于半导体器件功率大，体积小，导致热集聚，对电子设备性能寿命有严重的影响，因此对电子设备封装有严格的导热要求。电子封装导热包括芯片直接散热，也包括元件间连接结构导热，例如印刷电路板(PCB)的填充材料。
电子封装材料主要分为三种类型：金属基封装材料、陶瓷基封装材料以及聚合物基导热材料。金属基封装材料具有高导热性能以及高强度和高可靠性等优点，常被应用于军事和航天领域的电子封装；陶瓷基封装材料具有良好的绝缘性能、介电常数低、CTE较低，同时具有良好的拉伸机械强度以及导热性能，往往在高频率下会表现出优异的性能；聚合物基导热材料由聚合物和无机填料组成，结合了无机材料的高导热性能和绝缘性能以及有机聚合物的重量轻、易于加工同时价格低廉等优点，导热性能虽然没有金属基材料优异，但改善后的导热性能通常会比纯有机聚合物高几倍，足以满足大多数电子封装热界面散热，并且价格相较便宜，更适用于实际应用中。
芯片封装示意图
另外，下一代电子产品将向着柔性方向发展，这要求新的导热材料不光具有较高的热导率，还需有较好的可折叠性。柔性聚合物复合材料能满足上述要求。设计的复合材料要有高的界面导热系数、良好的绝缘性能、灵活的结构，以解决柔性电子器件在使用中的过热问题。
可折叠、高功率智能设备将主导下一代电子产品，这就需要强大的热管理系统来解决散热问题，相应的导热材料必须有较好的导热绝缘性能以及优秀的力学性能，可伸缩、多功能的石墨烯薄膜或是最好的选择。
在LED封装领域的应用
目前大功率LED产业的迅猛发展，对高导热材料(包括胶黏剂和灌封胶)的需求日益增长。虽然LED封装材料可以沿用电子封装的相关技术，通过添加导热填料等提高封装材料的导热性，但是由于LED受户外使用环境、紫外线辐照等因素影响较大，因此对封装材料也提出了新的要求，如要求透光率高、具有抗紫外线老化性能等。
封装发光二极管的典型基体材料为环氧树脂，这主要是由于环氧树脂具有优良的粘接性、耐腐蚀性及电绝缘性能。但环氧树脂抗紫外老化性能较差，长期使用会造成材料的劣化，甚至使LED失效，所以通常需要选用粒径小于400 nm的Al2O3提高其导热性，同时添加纳米ZnO、TiO2等紫外屏蔽材料做进一步改性，在保证良好的透光率下提高环氧树脂的耐紫外线老化性能。
在航空航天军事领域的应用
应用于航空、航天、军事等领域的器件通常都需在高频、高压、高功率以及高温等苛刻的环境下运行，并且要求高可靠性，无故障工作时间长，对散热的要求极高，因此对绝缘材料的导热性、力学性能、耐热性能提出了更高的综合要求。
陶瓷材料具有耐高温、高强度、低密度、高气密性、耐氧化以及极高的热导率等诸多优点，因此被广泛用于航空、航天、军事等领域。例如，采用碳化硅纤维增强的碳化硅(SiC/SiC)等纤维陶瓷制造高速飞行器头锥、尾锥和整流罩等弹体部件，不仅可以减轻重量，而且可以省去部分冷却部件。
具有良好绝缘性和高导热系数的氮化物和碳化物，包括氮化铝、氮化硼、氮化硅、碳化硅等陶瓷已被广泛应用于战机、导弹、卫星、火箭等电子系统的封装和高强度耐高温部件。同时，将这些无机陶瓷填料填充到橡胶、塑料等基体材料中，也可以制得具有良好综合性能的导热绝缘橡胶、塑料等。
通过在液体硅橡胶中高填充氧化铝及氮化硼等粉末，可以制备耐高温的导热硅橡胶，用于电子器械等；将氧化铝气相涂敷改性后的氮化铝粉末填充硅橡胶，可制取高导热、高耐热性封装材料或连接材料等。美国Berquist公司将研制的导热绝缘橡胶用于飞机、太空仓、电机控制、汽车、家用电器等领域，处于世界领先水平。
航天应用导热聚合物
导热绝缘材料的发展方向
纳米导热填料
新型导热填料的纳米化是未来的一个重要研究方向，如果将无机填料的粒径减小到纳米尺寸，其导热性会因粒子表面原子数、内部结构等纳米效应而发生质的变化，如：普通AlN粉末的导热系数约为36 W（/m·K），而纳米级AlN的导热系数可达320 W（/m·K）。日本协和化学工业公司研发的高纯度纳米MgO，其导热系数大于50 W（/m·K），较普通MgO粉体的导热系数提升了近一倍。
高取向导热填料
普通的颗粒型导热填料为无规取向的烧结结构，其形成的导热通道有多个方向。而实际应用中通常希望只在某个方向上具有很高的热导率，因此设计结晶取向度高、结晶完整的纤维状导热填料可以大幅提高导热方向上(纤维轴向)的热导率，用聚合物制备成复合材料后，纤维状的取向导热填料也可以在导热方向上保持极高的热导率，从而制备出热导率远高于普通颗粒状填料填充的复合材料。
新型导热树脂
通过在树脂分子结构中引入联苯、萘、蒽等刚性结构，提高分子链的规整性，形成液晶或结晶型树脂，提高聚合物材料的导热性。除了开发热塑性结晶聚合物外，更需开发更多种类的热固性液晶、或固化后具有规整性或结晶结构的树脂，并降低成本，以满足电气浇注、浸渍等对树脂高导热性的要求。通过进一步在新型导热树脂中添加导热填料可更大幅度的提高其导热性。
填料改性及传热结构的设计
通过对导热填料表面进行有效的改性可以提高其分散性和导热性，但同时还要注重各种形状和尺寸的导热填料的配合使用，并对导热填料进行组装控制，以达到最佳的填充效果，为声子传热建立最佳通道，从而提高其导热性能。
结语
国内在高导热绝缘材料，特别是原材料方面相对于日本、欧美等国家的技术水平还相对落后，仍需加强在该领域的研发投入，开发出具有更高热导率、更多品种的适用于电机、电子、LED封装、航天军事等领域的高端导热绝缘材料，推动国内电气绝缘技术的发展。
参考资料：
江平开等：高导热绝缘聚合物纳米复合材料的研究现状
田付强等：高导热绝缘材料及其在电动汽车中的应用
陈明华等：聚合物基导热绝缘复合材料研究与应用进展
刘科科等：高分子复合材料用导热填料研究进展
（中国粉体网编辑整理/平安）
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