高導熱材料的研究進展
摘耍：自二十世紀八九十年代以來，材料的導熱性能越來越為產品研發人員所看重，尤其對于航空航天、汽車制造和電子電器等領域， 優異的散熱性能更是必不可少.根據導熱材料成分的不同，可以將其分為三類導熱材料，分別是聚合物基、金屬基和陶瓷導熱材料.本文詳細概述了上述三類材料時最新研究進展，總結其優勢和不足之處，并提出展望以期使高導熱材料能夠得到快速發展并廣泛應用。
關鍵詞：導熱材料；熱導率；聚合物基；金屬基；陶瓷
1. 引言
小型化，輕薄化的設計是當前電子產品的主流，這對產品的熱設計帶來了巨大考驗。有研究顯示電子元器件溫度每升高2度，其可靠性會下降10% 在50度溫度下，壽命會縮減到室溫時的六分之一。因此，溫度一直是制約新技術發展的重要原因之一。此外，軍事武器和航天飛船等高精尖領域也對熱管理提出了更為嚴格的要求和目標。目前，關于高導熱材料的研究較多。部分高分子聚合物以及含有導熱填料的高分子聚合物有十分優秀的理論數值，主要作為儀表等電器的密封材料。此外，少量陶瓷材料已在機器外殼，電路基板上得到了實際運用。但開發導熱性能更加優異的材料仍任重而道遠。相關高性能導熱材料的開發將會促進諸多領域的快速發展，比如航空航天、超級計算機、大規模集成電路以及電子行業等?；诖耍疚膶θ愑兄匾芯績r值的導熱材料進行了較為全面地概括。
2. 研究內容
目前，研究的高導熱材料種類繁多，根據材料種類可以分為以下三大類，分別是：聚合物基導熱材料、金屬基導熱材料和陶瓷導熱材料。這三類材料都有自身獨特的優勢和用途，下面分別對它們做詳細的介紹。
(1)聚合物基導熱材料
聚合物即指高分子聚合物，其分子量一般在一萬以上， 是目前應用最廣泛的材料之一，其具有良好的可塑性和絕緣性能，對界面材料無腐蝕，價格較低等諸多優點，但它們大多是熱的不良導體。在電子電器行業，高聚物是絕佳的屏蔽涂層、絕緣層、散熱介質和減震材料，性質非常優異，但是其較低的導熱系數嚴重限制其大規模應用，因此聚合物基導熱材料應運而生。其研究思路主要是通過在聚合物基體中復合一些高導熱材料來提高其綜合導熱性能。比如，Dang等人采用澆注成型的方法制備了SiC顆粒-Sic晶須增強的雙馬來酰亞胺樹脂復合材料，結果表明SiC顆粒和SiC晶須比例為1:3的時候有最佳的增強性能，在填料含量為40wt%有最佳的導熱性能，熱導率從0. 228W/(m ? K)增加到1. 125W/(m ? K)。Xu等采用熔融共混法制備了SiC-BN增強的聚氨酯復合材料，實驗結果表明經過復合之后其熱導率有顯著增加，在2%SiC-18%BN時具有最佳的熱導率0. 95W/(m ? K),是純聚氨酯的5倍，作者認為主要是由于SiC的加入能夠起到橋接作用，使復合材料的熱導率顯示出最佳的熱學性能。Zhang等人用補強型酚醛樹脂對氮化鋁進行表面改性，當酚醛樹脂與氮化鋁質量比為1:4時與三元乙丙橡膠復合，結果表明復合材料導熱率相比未改性時提高了44%,作者認為改性提高了氮化鋁的抗水解力，防止了氮化鋁變性。Li等系統的研究球形氧化鋁為導熱增強劑復合聚氨酯材料，通過對導熱填料的表面改性和比例調控，使其熱導率得到顯著提高，優化后其導熱系數達到2. 51W/(m ? K) 。
⑵金屬基導熱材料
金屬是目前應用廣泛的導熱材料之一，其優點在于強度高、耐磨性好、易加工和實現規模生產等。雖然其具有較高的熱導率，但是面對服役條件越來越苛刻的要求，其導熱性能仍然有待進一步提高。目前主要通過復合技術來優化其熱導率，增強方式主要有纖維增強和顆粒增強兩大類，其中又以顆粒增強為主。在諸多金屬材料中，鋁具有本征熱導率高、來源廣泛、成型性能好和密度低等諸多優點，因此是目前最受研究者重視的金屬基體，據統計本領域90%以上的研究與鋁有關。例如，Xiu等人采用真空熱壓法制得了顆粒直徑為200 um的金剛石-鋁復合材料，結果表明經過金剛石復合處理后，材料的熱導率得到顯著提升，其最佳熱導率達到475W/(m ? K)。Liu等用無壓浸滲法制得了低成本的金剛石鋁復合材料，其中金剛石粒徑約為100um,復合材料的熱導率為298W/(m-K),研究表明在一定范圍內粒徑越大，導熱性越好。此外，碳納米管作為一種新型材料，其具有超高的熱導率，被譽為電子行業的救星，多壁碳納米管的熱導率高達3000W/(m?K),Nie等人用磁力攪拌和放電等離子燒結法制備了鋁-碳納米管復合材料，但其最大熱導率僅172W/(m?K),原因是碳納米管與金屬形貌和尺度上的差異大，表面化學性質相容性差，嚴重降低了導熱性能，說明將碳納米管作為增強體技術仍不成熟，需要進一步改善其表面性質，協調兩者的兼容性。
(3)陶瓷導熱材料
陶瓷擁有常見工程材料中最高的硬度、耐高壓和耐高溫等諸多優點。其中，氮化鋁、氮化硅和氧化錯等陶瓷具有優異的導熱性能，目前已在諸多領域得到了廣泛應用，擁有替代金屬的潛力。雖然陶瓷材料的本征熱導率高，但是其制備和可加工性能較差，因此嚴重限制了其大規模應用。此外，陶瓷材料難以大尺寸制備，而且成本較高，因此目前的研究工作主要集中于改善其制備條件和燒結工藝。例如，Zhang等以Ti02-Mg0作為燒結助劑，采用無壓燒結的方法制備了氮化硅陶瓷，結果表明該陶瓷具有較高的熱導率，其室溫導熱率為81W/(m?K),而且該方法還具有成本較低的優勢。Zhan等通過添加硝酸鈣和硝酸鋰為燒結助劑，采用無壓燒結法制備了A1N陶瓷，結果表明燒結助劑的添加有利于A1N陶瓷的快速致密化，而且其抗拉強度和熱導率都得到了顯著的提升，其熱導率為136.7W/(m-K)?Lee等研究了MgO-CaO-Al2O3-SiO2作為燒結助劑對A1N陶瓷燒結的影響，結果表明該助燒劑是一種性質優異的材料，經過少量添加(lwt%)即可在較低燒結溫度下使A1N陶瓷快速致密化，其導熱率為84W/(m-K)o由此可見，尋找不同的燒結助劑一直是陶瓷燒結領域研究的核心思路，但是目前的技術成本依然較高，離大規模生產制備仍有一段距離。
3.結論與展望
從上述大量研究可以看出：
(1)聚合物基導熱材料具有最好的發展前景，相關研究非常全面，應用范圍也很廣，部分復合材料的導熱性能已經達到了原材料的十倍以上；
(2)金屬本身以自由電子作為熱的主要載體，導熱性能在三者中最好，通過填料的增強，鋁的復合材料導熱率已超過純銅，為導熱金屬提供了新的選擇；
(3)陶瓷導熱材料亦在不斷更新優化，越來越多的產品開始采用陶瓷基板。然而，導熱材料仍存在諸多缺點。聚合物基的復合材料導熱率相對仍然偏低，但它能填補細小空隙，建立熱傳導通道，尚不能廣泛替代其作用的材料出現。
陶瓷導熱材料普遍成本較高，適用范圍窄。對此，我們提出如下展望：
(1)目前填料的發展趨勢是輕量化，超細化，多樣化，低成本化，同時還可以嘗試復合填料，即多種填料共同復合，使復合導熱材料更有競爭力；
(2)應不斷探索新型的材料，如液態金屬，石墨烯，為散熱設計提供新的選擇；
(3)著重改善導熱填料和基體間的界面結合和導熱性能，增強兩者間的兼容性，從而優化復合材料的綜合導熱性能。
本文來源：互聯網 版權歸原作者所有，轉載僅供學習交流，如有不適請聯系我們，謝謝。
標簽： 點擊： 評論: