中国粉体网讯 导热聚合物复合材料是通过将高导热性能的填料与聚合物基体结合而成。其中聚合物基体为材料提供了良好的力学性能和可塑性，而填料的高导热性能则使得热量在材料中更快更有效地传输，克服了由基体内部无定形结构以及大分子链的振动效应所引起的纯聚合物热绝缘或低热导率问题。
导热填料以金属材料、陶瓷材料、碳材料为主。金属、碳材料虽然具有很高的本征热导率而有利于聚合物导热性能的提高，但这些填料往往在改变导热性能的同时也改变了聚合物的电气绝缘性能，如导致极高的电导率、较高的介电常数而不能应用于兼具高导热、优异绝缘性能的聚合物基复合材料。因此，绝缘领域更多关注的是陶瓷填料。陶瓷填料具有优良的导热和绝缘性、优异的机械性能以及低密度等优点，在电子封装、能量存储及散热器等领域有着广泛的应用。
图源：金戈新材
导热机理
陶瓷材料作为固体材料具有排布规则的粒子，其热传导依靠粒子的振动。这些粒子在其平衡位置上以不同的频率和振幅不断作微小的振动，且温度升高振动愈剧烈。由于固体中粒子之间的吸引力很强，所以其中任意一个发生振动时，就会带动其它粒子以相同的运动状态运动，形成类似简谐运动的点阵波，当它被量子化时就被称为声子。声子属于波的一种，它们之间会发生散射，而且材料的杂质、气孔和晶界都会在声子传播过程中阻碍其运动，这就产生了热量传递的阻力。这也合理解释了材料实际导热率远远小于理论热导率的现象。
热界面材料中导热绝缘陶瓷填料的热量传递示意图
陶瓷填料分类
氧化物导热填料
氧化铝。常被用作导热绝缘填料的氧化铝，具有电阻率高、供应链完备的优点。氧化铝的导热系数在室温下约为30 W/(m·K)，随着温度的升高，导热系数逐渐增大。α-Al2O3的颗粒形貌有球形、片状、不规则多棱角、蠕虫状、椭球状等多种形态；粒径范围有纳米级、亚微米级和微米级；颗粒结构有多晶和单晶之分，不同的微观结构对导热材料的性能影响很大。相较于传统片状、多面体氧化铝，球形氧化铝颗粒圆润规整、粒径分布均匀、比表面积适中，在树脂体系内分散性、流动性极佳，不易团聚沉降，可实现超高比例填充。
球形氧化铝，图源：百图股份
氧化锌。ZnO导热率为30 W/(m·K)左右，具有价格便宜，环境友好，优异的热稳定性，电绝缘性，较低的介电常数，较小的热膨胀系数和抗化学腐蚀性强等特点，被广泛应用于电子电器方面。氧化锌在一般导热界面材料中作为导热填料复配的角色，作为整体密度和硬度的调配，常用于导热膏中。
氧化镁。氧化镁的导热系数比氧化铝要高，为36 W/(m·K)，而且成本较低，在导热填料应用上也越来越受到关注。但是氧化镁在空气中易吸潮，增粘性较强，不能大量填充，且耐酸性差，很容易被酸腐蚀，限制了其在酸性环境中的应用。
氧化物陶瓷填料廉价易得，是目前工业中应用最广泛的热界面陶瓷填料。但是氧化物的本征导热性相对较差，同时其所填充高分子聚合物基体一般需要的填充量也很大，这易导致基体的黏度增大和机械性能变差。
氮化物导热填料
氮化铝。AIN理论热导率高达320W/(m·K)，在实际应用填料中，虽然达不到理论高度，但表现依旧远超常规的氧化铝。同时，因具备优异的电绝缘性，且其热膨胀系数与硅高度匹配，也使氮化铝成为兼顾导热与绝缘的顶级升级方案。但是AIN极易与空气或基材中的水分发生水解反应，不仅会降低导热性能，产生的氨气还会导致封装胶体膨胀、开裂。因此，目前行业竞争的核心在于表面包覆技术，以图实现完美的抗水解保护，又不增加界面热阻。另外，如何在保持高性能的前提下，通过工艺优化实现规模化降本，也是其替代传统填料的重要关卡。
AIN粉体，图源：福建臻璟新材料科技有限公司
氮化硼。BN是一类高热导率（TC）、高绝缘的导热填料，包括六方氮化硼（h-BN）、氮化硼纳米片（BNNS）和氮化硼纳米管（BNNT）。然而，BN表面呈化学惰性，其与基体或其他填料间亲和力低、声子谱失配等，导致了填料与基体/填料间存在明显的界面热阻，限制了复合材料TC的提升，难以满足使用要求。表面改性、功能化包覆、协同填料体系是当前研究热点。
h-BN粉体，图源：氮硼科技
氮化硅。氮化硅具有α和β两种晶型，均为六方晶系。由于α-Si3N4晶粒中存在晶格应力，自由能比β相高，所以稳定性较差，而β-Si3N4中不存在晶格应力，作为填料填充有利于形成颗粒网络，提高热导率，具有良好的力学性能，因此在实际生产应用中以β-Si3N4为主。
氮化物陶瓷填料的本征导热性能优异，是当前实验室开发超高导热热界面材料的重要研究方向之一。但是氮化物的制备相对困难、成本较高，特别是针对具有高应用价值的特定形状的氮化物填料，如球形AlN、BN纳米片/纳米管及β-Si3N4晶须等，如何低成本高效实现其工业化批量生产仍是重要的研究课题之一。
碳化物导热填料
碳化硅。SiC有着较高的导热系数（80~120 W·m-1·K-1）和优异的机械性能，其一维材料有利于搭建三维导热网络，提高导热效率，并同步改善高填料量下复合材料的力学性能。但是SiC的介电性能较差，采用SiC作为导热填料不可避免会导致复合材料介电性能的弱化。
碳化硼。B4C具有极高硬度、低密度和热膨胀系数，且热导率高(300~500 W·m-1·K-1)，也被认为是理想的绝缘陶瓷填料。
碳化物陶瓷填料具有相对较高的导热系数，同时易于制得各向异性的结构(如SiC纳米线、晶须及微纳米片)，其所构筑导热网络快且传热路径丰富；但是碳化物的本征介电性能较差，在高绝缘聚合物复合材料中的应用受到了一定的限制。
参考来源：
[1]孙喆等：导热聚合物复合材料研究进展
[2]杨达伟等：热界面用导热绝缘陶瓷填料的研究进展
[3]夏尊：改性氧化铝粉体对其烧结性及导热性的影响
[4]张荣等：氮化硼/聚合物导热复合材料界面热阻调控研究进展
[5]粉体网、热管理Ultra
（中国粉体网编辑整理/石语）
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