【原创】热界面材料的导热性能好不好，往往由填料说了算！

中国粉体网讯  热界面材料不仅广泛用于电子设备的散热，在5G通讯、新能源汽车等方面的需求也日益增多，此外在军事装备和航空航天领域也具有广阔的应用前景。

作为一类导热材料，导热性能自然是热界面材料最重要的技术指标。常用的热界面材料主要为填充型，主要是通过在聚合物基体中填充高导热的填料制备而成。

通常情况下，聚合物基体的固有热导率都比较低（约为0.2W/(m·K)），因此，热界面材料的导热性能往往由填料说了算。

种类不同，导热能力不同

常用的导热填料主要可以分为：金属类导热填料，碳材料类导热填料，无机导热填料。

常见导热填料的导热系数

金属都具有良好的导热性，导热系数较高，是一类常用的导热填料。常用的金属类导热填料主要包括金粉、银粉、铜粉、铝粉、锌粉、镍粉以及低熔点合金。

碳材料通常具有极高的导热系数，比金属填料的导热性还要好。添加的碳填料的固有导热性是决定碳基聚合物复合材料的导热性最重要的参数之一。常用的碳材料有石墨、碳纳米管、石墨烯、膨胀石墨、碳纤维和炭黑等。其中碳纳米管的导热系数为3100-3500W/(m·K)，石墨烯的导热系数为2000-5200W/(m·K)，是热管理应用的有希望的候选者。

陶瓷填料不仅具有良好的导热性，而且具备比较低的导电性，是目前应用最为广泛的填料。常用的陶瓷填料主要有氧化物类和氮化物类两种。氧化物类包括Al₂O₃、ZnO、MgO等；氮化物类包括：AlN、BN等。

形状不同，导热能力不同

导热填料有球形、不规则形状、纤维状和片状等各种形状。与零维材料相比，具有超高长径比的一维材料(例如，碳纳米管、碳纤维等)和二维材料(例如，石墨烯、六方氮化硼和片状氧化铝等)可以在填料与填料之间形成较大的接触面积，为声子的传递提供了更广阔的通路，降低了界面接触热阻，有利于体系中导热网络的构建。然而，由于球形填料在高填充时，不会导致黏度的急剧增加，在工业中应用最为广泛。

不同形貌的Al₂O₃的SEM图

尺寸不同，导热能力不同

导热填料的尺寸也会对导热复合材料的导热性能有显著影响。

当填料为单一尺寸时，填充量相同时，大粒径填料填充的复合材料的导热率往往比小粒径填充的复合材料的导热率高，这是因为大颗粒之间的界面接触较少，界面热阻较低。然而，粒径也不能过大，否则，填料之间不能形成密堆积，不利于导热通路的形成。

不同尺寸导热填料颗粒级配示意图

目前，行业上多采用不同粒径的填料搭配使用，以获得较高的导热率。选用不同尺寸的颗粒作为混合填料填充到基体材料中，大颗粒构成主要的导热通路，将小颗粒填充到大颗粒间的空隙中以形成更为丰富的导热网络，从而实现复合材料导热性能的提高。

填充量不同，导热能力不同

当填充量不足时，填料分散在基体中，为孤立存在的状态，不能形成连续地导热通路，此时复合材料的导热性能的提高主要依赖于导热填料的增加。当高于逾渗阈值浓度，导热填料在基体中形成具有高导热率的连续渗透结构，复合材料的导热系数随着填料含量的增加而呈指数性地增加。当导热填料填充量高于60-70vol.%，导热填料在基体中形成连续丰富的热传导路径。

高填充量在基体中形成导热通路示意图

然而，高的填充量会导致成本的增加、质量的增加和力学性能的降低，这些都会降低电子设备使用性能。因此，我们需要研发高性能的复合材料，在低填充量的前提下，实现高导热，以满足现代工业发展的需要。

表面改性程度不同，导热能力也不同

界面热阻一部分来源于界面引起的热流阻挡，是由于复合材料中两个组成相之间的机械或化学不匹配造成的。界面热阻的另一个来源是导热填料与基体之间不完美的物理接触和弱界面粘合。为了解决界面热阻的问题，填料的表面化学功能化被认为是一种有效的方法。填料的表面化学官能化可形成共价桥键，从而改善界面粘附性，通过互连颗粒-树脂和颗粒-颗粒界面，可使界面声子散射最小化。为了提高聚合物复合材料的热导率，表面处理已应用于不同的填料，如氮化硼纳米管，石墨烯等。导热填料可以通过使用不同的试剂如丙酮，胺，硝酸，硫酸，硅烷等进行官能化。

纯度不同，导热能力也不同

以往，我国厂商生产的热界面材料无法媲美国外厂家，原材料(如有机硅、氧化铝、铝和氮化铝)纯度不够是其中一大因素。

填料中的杂质不但会对导热界面材料电气性能产生影响，而且对工艺性能也有一定影响。

参考来源：

[1]朱晴.高导热热界面材料的制备及其导热性能研究

[2]孟凡成.导热界面材料的制备与性能研究

[3]李建忠等.导热界面材料及导热填料Al₂O₃的技术研究

（中国粉体网编辑整理/山川）

注：图片非商业用途，存在侵权告知删除