中國粉體網訊 隨著科技的進步，大功率電氣、電子產品的飛速發展，高科技產品運行過程中必然會產生更多的熱量，如果熱量得不到及時的消散，會降低產品的功效，縮短產品的使用壽命，甚至有可能造成安全生產事故。目前，生產導熱絕緣高分子材料最簡單有效的辦法是在絕緣高分子材料中添加導熱填料，此方法能有效提高導熱絕緣材料的熱導率，且工藝簡單易行，有利于工業化生產，是國內外制備導熱絕緣高分子材料的主要方法。
添加導熱填料的聚合物基導熱復合材料的熱傳導，主要是由聚合物基體和導熱填料共同影響。當導熱填料的添充量達到一定量時，填料與填料之間或填料聚集區與另一聚集區之間會相互接觸，在復合材料體系中形成局部的導熱鏈或導熱網絡；若繼續增加粒子填充量，會產生部分的導熱網鏈互相連接和貫穿結構，使無機填料填充的復合材料的導熱系數得到顯著增加。然而高添加量下熱導率的提高往往也伴隨著加工和機械性能的下降、成本的提升和力學性能的損失。因此制備具有綜合性能優良的高導熱絕緣聚合物材料仍然面臨很大的挑戰。
目前，用來制備導熱絕緣聚合物基復合材料的填料主要有碳類（碳納米管、石墨烯）、無機粒子和金屬（銀、銅）等填料。無機粒子分別有氮化物，如氮化硼(BN)、氮化鋁(AlN)、氮化硅(Si3N4)等；氧化物，如氧化鎂(MgO)、氧化鋁(Al2O3)、氧化硅(SiO2)、氧化鈹(BeO)；碳化物，應用較多的主要是碳化硅(SiC)。
常見的聚合物基體與導熱填料的熱導率
1、金屬填料
金屬具有優良的熱、電傳導性能，主要有鋁粉、銅粉、銀粉、錫粉和鐵粉等。然而這些填料本身具有很高的電導率，將其填充到聚合物中會導致復合材料電導率明顯升高，甚至導電。因此，金屬類填料只能被應用于對電絕緣和擊穿電壓要求不高的領域。
2、碳類填料
碳系導熱聚合物材料中，填料主要有碳纖維、石墨、碳納米管、金剛石和石墨烯等。碳類填料可以在很小的添加量下明顯提高材料的熱導率，相比于金屬填料和無機填料質量更輕。
石墨烯由于其特殊的2維結構，具有超高的導熱系數和優異的機械性能，受到各個領域的研究者的重點關注。可惜的是，碳類填料本身也具有較高的電導率，這限制了其在絕緣領域的應用。
在導熱絕緣復合材料領域，通常是將這類導電填料外包裹1層有機或無機的絕緣層，以限制填料的導電性，同時保留了復合材料較高的導熱性能。例如，杜邦公司的研究人員使用通過溶膠凝膠法(sol-gel)將石墨顆粒表面包覆1層SiO2，在填料體積分數為22.9%時，制備的聚合物復合材料熱導率達3.3W/(m·K)。同時具有較好的絕緣性能，施加500V電壓時，復合材料體積電阻率>1.0×1014Ω·cm。
3、無機填料
（1）氮化物填料
氮化物填料主要有氮化鋁(AlN)、氮化硼(BN)以及氮化硅（Si3N4）等，因其具有熱導率高、電絕緣性能好、耐高溫性能出色以及介電性能優良等特點而廣泛應用于絕緣高分子材料中。
氮化鋁AlN，是以[AlN4]四面體為單位結構的共價鍵化合物，具有六方晶系，為白色或灰白色晶體。具有高的本征熱導率、耐高溫及良好的介電性能等優點，在電子膠、LED散熱、傳熱器等領域應用前景很廣。當AlN體積分數為78.5%時，酚醛樹脂/AlN復合材料的熱導率可達到32.5 W/(m·K)，是相同含量下SiO2復合材料的20多倍，而且介電常數低。此外，AlN常被用在線型低密度聚乙烯（LLDPE）復合體系中，復合材料具有良好的力學性能、較高的熱導率、寬頻下低介電常數和損耗，用于低功率電子器件的封裝。
但其價格昂貴，且氮化鋁吸潮后會與水發生水解反應，水解產生的Al(OH)3會使導熱通路中斷，進而影響聲子的傳遞，因此使用其制得的制品熱導率偏低。單純采用氮化鋁填充，可以達到較高的熱導率，但體系的粘度急劇上升，限制了其應用。
氮化硅（Si3N4）是由Si和N元素通過人工合成的一種新材料，具有α和β兩種晶型，均為六方晶系。由于α-Si3N4晶粒中存在晶格應力，自由能比β相高，所以穩定性較差，而β-Si3N4中不存在晶格應力，作為填料填充有利于形成顆粒網絡，提高熱導率，具有良好的力學性能，因此在實際生產應用中以β-Si3N4為主。其用于制備新型高導熱環氧模塑料，在體積分數為60%時，體系熱導率達到2.3W/(m·K)，而其介電常數仍然維持在低水平。
相比其他導熱填料，h-BN不僅具有高導熱性能、高強度、低吸濕率、高電擊穿強度、良好的抗氧化性能，而且其介電常數和介電損耗也非常低，與聚合物基體較為接近，在現階段是制備具有良好的絕緣性能、導熱性能和力學性能的較理想材料。
此外，BN納米片(BNNS)和納米管(BNNT)可作為新型納米材料，因其具有超高的長徑比、2維平面和1維管狀的形貌，分別在面內方向和軸向具有更高的熱導率。
BNNS和BNNT的結構
(2)碳化物填料
碳化物填料主要是碳化硅和碳化硼填料。碳化硅（SiC）是一種共價鍵很強的化合物，常見的有六方晶系的α-SiC和立方晶系的β-SiC，類似金剛石結構。碳化硅具有耐腐蝕、耐高溫、強度大、導熱性能良好、抗沖擊等特性，同時具有熱導率高、抗氧化、熱穩定性好等優點，在微電子工業中常用于封裝材料中。但是碳化硅在合成過程中產生的碳和石墨難以去除，導致產品純度較低，電導率高，限制了其在絕緣性能要求高的材料中的應用；而且其密度大，在有機硅類膠中易沉淀分層。碳化硼(B4C)是一種耐火材料和超硬材料，熱導率很高，但價格昂貴，在絕緣高分子材料中應用不是很廣泛。
（3）氧化物填料
氧化物填料主要有氧化鋁（Al2O3）、氧化鎂（MgO）、氧化鋅（ZnO）等，它們具有一定的導熱能力，電絕緣性能優良。氧化物填料主要以與氮化物混雜的方式填充絕緣高分子材料，從而可以提高材料的熱導率，保持穩定的電性能，降低生產成本。
針狀氧化鋁的價格低，但填充量小，在液體硅膠中，普通針狀氧化鋁的最大添加量一般為300份左右，因此所得產品的熱導率有限。而球形氧化鋁的填充量大，在液體硅膠中其最大添加量達到600~800份，所得制品的熱導率高，同時價格較高，但低于氮化硼和氮化鋁的價格。
氧化鎂的價格低，在空氣中易吸潮，增粘性較強，不能大量填充，且耐酸性差，很容易被酸腐蝕，限制了其在酸性環境中的應用。
氧化鋅的粒徑及均勻性很好，適合生產導熱硅脂，但其熱導率偏低，不適合生產高導熱產品；質輕，增粘性較強，也不適合灌封。
SiO2的熱導率較低，但是電絕緣性能良好、價格較低，在電子封裝領域被廣泛應用，在環氧樹脂基體中體積分數可高達79%。
結語
根據所需性能及要求來選擇合適的導熱填料，如需熱導率高的絕緣高分子材料，可以選擇導熱系數相較高的導熱填料；需求價格低廉、熱導率一般的絕緣高分子材料，可以選擇導熱系數一般且價格便宜的導熱填料。
同時，導熱填料粒徑的大小對絕緣高分子材料的力學性能和導熱性能有很大的影響，導熱填料的粒徑越小，制備的導熱絕緣高分子材料的力學性能和導熱性能相對更好些。根據導熱絕緣高分子材料具體的導熱性能要求，選擇合適的添加量及其復合方式，對提高導熱絕緣高分子材料的綜合性能具有很大的益處。
參考資料：
江平開等：高導熱絕緣聚合物納米復合材料的研究現狀，上海交通大學
李俊明等：導熱填料在絕緣高分子材料中的應用，東華大學
劉科科等：高分子復合材料用導熱填料研究進展，南京航空航天大學
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