（文章來(lái)源：粉體圈）

高分子聚合物一直以來(lái)都是材料科學(xué)的寵兒，它們絕緣、柔韌、可塑、有適當(dāng)?shù)恼扯?、冷熱循環(huán)穩(wěn)定性好、使用方便等，在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用。但在對(duì)導(dǎo)熱性能要求較高的領(lǐng)域，如電子器件熱管理領(lǐng)域，聚合物的大毛病“熱傳導(dǎo)率低”就是一個(gè)大問(wèn)題了。

為了補(bǔ)足這個(gè)短板，可以通過(guò)添加填料以改變其導(dǎo)熱性能，由此加工成具有較好力學(xué)性能的導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料。最終這些復(fù)合材料就可用于幫助改善電子產(chǎn)品的散熱性能，防止電子產(chǎn)品過(guò)熱，從而使得電子產(chǎn)品能夠具有更好的運(yùn)行表現(xiàn)和更長(zhǎng)的壽命。

由于過(guò)熱而損壞的芯片

但事情并沒(méi)有那么簡(jiǎn)單，加什么，怎么加，聚合物本身要不要改進(jìn)一下，這些答案都需要經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證。雖然針對(duì)不同的應(yīng)用，部分加工的方式會(huì)有所不同，但大體可分為以下四部分：

1.提高聚合物基體的導(dǎo)熱性能

雖然影響聚合物基體導(dǎo)熱性能的因素很多，包括溫度、密度、極性基團(tuán)及其偶極化程度、材料聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及分子取向效應(yīng)等，但大量研究發(fā)現(xiàn)，材料結(jié)晶度及分子鏈取向?qū)Σ牧蠠釋?dǎo)率的影響很大。

對(duì)于結(jié)晶聚合物，其熱導(dǎo)率主要取決于聚合物的結(jié)晶性和分子鏈取向，即聲子的散射程度。若聚合物鏈結(jié)構(gòu)是有序的，則熱量將沿著分子鏈方向得到快速、有效地傳遞，該方向的導(dǎo)熱性能則遠(yuǎn)優(yōu)于其他方向。

因此為提高聚合物基體的導(dǎo)熱性能，可通過(guò)化學(xué)合成制備具有有序化結(jié)構(gòu)的聚合物并且提高聚合物結(jié)晶度以減少聲子散射。某學(xué)者在《自然-納米技術(shù)》上的研究成果稱，他們通過(guò)電聚合過(guò)程使聚合物纖維排成整齊陣列，形成一種新型熱界面材料，導(dǎo)熱性能在原有基礎(chǔ)上提高了20倍。除了拉伸技術(shù)外，超聲場(chǎng)、電磁場(chǎng)等也會(huì)對(duì)聚合物的結(jié)晶性能和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，從而影響材料的導(dǎo)熱性能。

除此之外，生物界中的一些現(xiàn)象可以對(duì)人們開(kāi)發(fā)具有高導(dǎo)熱性能的聚合物材料產(chǎn)生一定的啟發(fā)作用。比如說(shuō)固定蜘蛛網(wǎng)的拖牽線，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)其熱導(dǎo)率超過(guò)一些熱的良導(dǎo)體包括鋁、純鐵等材料的熱導(dǎo)率。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這些蜘蛛網(wǎng)內(nèi)部具有完美的分子結(jié)構(gòu)，包含具有納米晶的蛋白質(zhì)及連接蛋白質(zhì)分子的彈簧結(jié)構(gòu)等，是目前研究者發(fā)現(xiàn)的具有最高熱導(dǎo)率的有機(jī)組織。此外，當(dāng)這些蜘蛛網(wǎng)被拉伸時(shí)，其導(dǎo)熱性能也會(huì)有一定程度的提高。

自然界帶來(lái)的啟發(fā)

2.填充高導(dǎo)熱填料

采用高導(dǎo)熱填料是提高聚合物基導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱性能最常用的方法之一，聚合物基高導(dǎo)熱材料中使用的高導(dǎo)熱填料主要包括金屬、無(wú)機(jī)非金屬、纖維等。填料種類、填充量、填料幾何參數(shù)、填充方式等都會(huì)對(duì)材料熱導(dǎo)率產(chǎn)生很大影響。

目前常用的絕緣型導(dǎo)熱塑料的填料主要包括：金屬氧化物如BeO、MgO、Al2O3、CaO、NiO；金屬氮化物如AlN、BN等；碳化物如SiC、B4C。等。它們有較高的導(dǎo)熱系數(shù)，且更為重要的是同金屬粉相比有優(yōu)異的電絕緣性，因此，它們能保證最終制品具有良好的電絕緣性，這在電子電器工業(yè)中是至關(guān)重要的。

從目前的研究結(jié)果來(lái)看，在基體中構(gòu)建導(dǎo)熱通道成為提高聚合物基高導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱性能的技術(shù)關(guān)鍵。導(dǎo)熱填料在聚合物基體中的緊密堆積，易于在材料內(nèi)部形成導(dǎo)熱通道。采用不同粒徑、不同形狀的導(dǎo)熱填料和不同種類的導(dǎo)熱填料復(fù)配填充，不僅可以發(fā)揮各種填料的特點(diǎn)，提高材料的熱導(dǎo)率，還可以降低成本。

以片型BN搭配球形的h-BN團(tuán)聚體可促進(jìn)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)形成（圖片來(lái)源：Saint-Gobain）

3.改善填料與聚合物基體間的界面結(jié)合狀態(tài)

研究表明，當(dāng)填料與聚合物基體熱導(dǎo)率比大于100后，即使再增大填料的熱導(dǎo)率，對(duì)提高材料導(dǎo)熱性能的貢獻(xiàn)也大大減小坦。雖然目前尚不能給出此現(xiàn)象的確切解釋，但初步認(rèn)為填料與基體界面處存在界面相、氣孔等缺陷，界面結(jié)合狀態(tài)不佳。

聲子在界面處散射嚴(yán)重，阻礙材料導(dǎo)熱性能的提高。因此改善填料與基體的界面結(jié)合，減少聲子在界面和缺陷處的散射，是提高復(fù)合材料熱導(dǎo)率的另一種重要途徑。

由于基體與填料的物理、化學(xué)性質(zhì)存在很大差異，兩者相互接觸形成的界面較弱，很容易產(chǎn)生缺陷。為改善基體與填料間的界面，最常用的方法包含物理改性法和化學(xué)改性法。

①物理改性法是指不使用表面改性劑對(duì)填料表面進(jìn)行改性的方法，包含電磁波、射線粒子輻照、超聲、電化學(xué)處理、等離子體處理等，如對(duì)填料進(jìn)行輻照能改變填料表面的電荷性質(zhì)及結(jié)構(gòu)，表面會(huì)產(chǎn)生空穴、缺陷等，改變表面能量狀態(tài)，從而改變填料的表面潤(rùn)濕性。

②化學(xué)改性法包括表面包覆修飾及表面化學(xué)修飾。其中表面包覆修飾還包含固相包覆法、液相包覆法和微膠囊法。表面化學(xué)修飾則是利用各種表面處理劑對(duì)填料表面進(jìn)行改性的方法，主要使用的處理劑有有機(jī)單體、有機(jī)低聚物、表面活性劑及偶聯(lián)劑等四類。其中，有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑是最常使用的表面處理劑，它能夠改變填料表面的親水親油性，使其與基體間能結(jié)合得更好。

另外除了對(duì)填料進(jìn)行表面功能化處理外，也可以通過(guò)水熱法、溶膠凝膠法、電化學(xué)沉積等對(duì)填料表面進(jìn)行包覆，在基體與填料之間引入第三相，改變基體與填料間的界面結(jié)構(gòu)，從而改善材料導(dǎo)熱性能。

MWCNT包覆SiO2/EP復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意圖

4.選擇合適的材料成型工藝

為了使填料在聚合物基體內(nèi)部形成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，獲得具有較高熱導(dǎo)率的導(dǎo)熱材料，還需充分考慮材料的成型加工工藝過(guò)程。目前有以下幾種方式可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。

①通過(guò)材料制備工藝改變填料分布

填料在基體中的分布及導(dǎo)熱通道的構(gòu)建對(duì)于材料熱導(dǎo)率有顯著影響，因此可在材料加工過(guò)程中，通過(guò)控制工藝，使得填料粒子按預(yù)定方向排列，可獲得單一方向的高熱導(dǎo)率。Zhang等在螺桿擠出機(jī)末端采用一種新型模具（LME）對(duì)將未經(jīng)表面改性的BN顆粒與PE共混擠出后分別經(jīng)過(guò)不同階段的拉伸擠出，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)多次拉伸擠出的產(chǎn)物中BN顆粒在基體中分散更加均勻，利于導(dǎo)熱通道的構(gòu)建，材料熱導(dǎo)率明顯提高，體系的復(fù)合黏度、儲(chǔ)能模量以及材料的拉伸及沖擊強(qiáng)度均得到提高。

②電場(chǎng)、磁場(chǎng)等輔助加工技術(shù)

介電泳是介電常數(shù)較低的物體在非均勻強(qiáng)電場(chǎng)中的受力現(xiàn)象，即中性物質(zhì)因?yàn)樵诜蔷鶆驈?qiáng)場(chǎng)中受到極化作用而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象。被不同程度極化的顆粒可在不均勻電場(chǎng)中產(chǎn)生側(cè)向運(yùn)動(dòng)，傾向于沿著外加電場(chǎng)方向排列。因此，對(duì)導(dǎo)熱顆粒聚合物混合液施加不同頻率和強(qiáng)度的電場(chǎng)，可改變顆粒在聚合物基體中的排列和分布，從而得到在某方向具有較高熱導(dǎo)率的復(fù)合材料。

同電場(chǎng)一樣，磁場(chǎng)作用也可以使得填充顆粒獲得一定取向，從而提高材料在取向方向上的熱導(dǎo)率。因?yàn)锽N的磁性較弱，為增強(qiáng)BN顆粒的磁性，通常在其表面沉積氧化鐵納米粒子，利用其與磁場(chǎng)的相互作用使得顆粒在磁場(chǎng)作用下發(fā)生取向。