高導熱
關注創建者：匿名 創建時間：2021-07-30
高導熱的視頻教程
航空航天與微電子領域關鍵材料加工技術新突破
以航空航天領域為例，第三代鎳基粉末高溫合金 FGH97 因在 650℃—750℃ 高溫下仍保持優異的持久強度和蠕變性能，成為渦輪發動機葉片、燃燒室等核心部件的首選材料；而微電子封裝領域中，氮化鋁（AlN）高溫共燒陶瓷（HTCC）基板憑借 170—230 W/(m·K) 的高導熱率和優異熱穩定性，成為高密度封裝的關鍵載體，其內部嵌入的微流道結構可使散熱能力提升 40% 以上并減小封裝厚度。
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高導熱的實例教程
來源 | 無機材料學報
作者 | 陳強，白書欣，葉益聰
單位 | 國防科技大學 空天科學學院，材料科學與工程系
原位 | DOI：10.15541/jim20220640
摘要：碳化硅陶瓷基復合材料以其高比強度、高比模量、高導熱、良好的耐燒蝕性能、高溫抗氧化性、抗熱震性能等特性，廣泛應用于航空航天、摩擦制動、核聚變等領域，成為先進的高溫結構及功能材料。本文綜述了高導熱碳化硅陶瓷基復合材料制備及性能等方面的最新研究進展。研究通過引入高導熱相，如金剛石粉、中間相瀝青基碳纖維等用以增強熱輸運能力；優化熱解碳與碳化硅基體界面用以降低界面熱阻；熱處理用以獲得結晶度更高、導熱性能更好的碳化硅基體；設計預制體結構用以建立連續導熱通路等方法，提高碳化硅陶瓷基復合材料的熱導率。此外，本文展望了高導熱碳化硅陶瓷基復合材料后續研究方向，即綜合考慮影響碳化硅陶瓷基復合材料性能要素，優化探索高效、低成本的制備工藝；深入分析高導熱碳化硅陶瓷基復合材料導熱機理，靈活運用復合材料結構與性能的構效關系，以期制備尺寸穩定、具有優異熱物理性能的各向同性高導熱碳化硅陶瓷基復合材料。
展開 高分子材料由于輕質、高比強度/比模量、易成型加工、優良的化學穩定性和低成本等，常被用于能源、電氣/電器和電子領域中。但其本體導熱系數低（λ在0.18～0.44 W/mK之間），無法適應有機太陽能電池、儲能材料、特高壓輸電設備和大功率LEDs等電子、電氣設備及元器件高效快速的導/散熱要求。
西北工業大學化學與化工學院顧軍渭教授“結構/功能高分子復合材料”（SFPC）課題組長期聚焦本征高導熱高分子的設計合成以及導熱高分子復合材料的可控制備及內稟機理研究。近5年來，在**重點項目、國家自然科學基金、陜西省自然科學基礎計劃杰出青年基金項目和廣東省基礎與應用基礎研究基金重點項目等的資助下，SFPC課題組系統開展了本征高導熱高分子的設計合成、新型異質結構填料的優化制備、導熱填料的表面功能化改性，以及導熱高分子復合材料的制備調控、導熱模型構建和導熱機理研究，并基于本征導熱、共混復合和外場誘導成型加工，“基體-界面-填料”的熱傳輸性質以及“分子鏈-導熱通路-導熱性能”本構關系研究，制備出多種導熱高分子復合材料及制品，完善和發展了其導熱機理。
展開 理想的TIMs應具有高導熱性、優異的電絕緣性、柔韌性和輕量化，并適應柔性電子等新興技術。
六方氮化硼(hBN)是石墨烯類似物，具有良好的力學性能、優異的化學穩定性和熱穩定性，以及超高的導熱系數(200-600 W/mK)，因此在聚合物基復合材料研究領域備受關注。研究結果表明，由于原hBN的聚集性和相容性較差，界面聲子振動失配，導熱途徑不有效，因此hBN基復合材料的導熱系數通常較低，不能滿足高導熱界面材料的要求。
由于具有較大的比表面積和豐富的邊基，氮化硼納米片BNNS在聚合物基質中的分散性和相容性方面往往比未剝離的hBN具有前所未有的優勢。然而，剝離后的BNNS橫向尺寸僅為100 nm，厚度達到10 nm。因此，制備厚度均勻、產率高的高質量BNNS對于制備具有高導熱性能的柔性復合膜具有重要意義。
近年來，高性能PI納米纖維薄膜在導熱領域得到了廣泛的研究。以及利用氧化石墨烯/膨脹石墨復合制備了具有高導熱性的多層電磁干擾屏蔽柔性薄膜。根據其他研究結果表明，通過在BNNS之間建立橋梁來提高復合材料的導熱性仍然是一個挑戰。
02
成果掠影
近期，天津工業大學的范杰教授聯合中原工學院的何建新教授在制備柔性高導熱納米復合材料取得新進展。采用水熱法和球磨法對NaOH-LiCl水溶液進行分離，得到了大尺寸(1 ~ 1.5 μm)、超低厚度(2 nm)、高收率(80%)的BNNS。提出了一種簡單的電紡絲-電噴涂技術，用于制備具有雙組分納米片填充納米纖維三維橋接結構的高導熱絕緣納米復合膜。通過闡明雙組分多通道三維網絡的導熱機理，優化納米片納米纖維膜的堆疊結構，與PI/50BNNS相比，PI/50BNNS@2.5rGO納米纖維復合膜的力學性能提高了168%。
展開 這就對現有的輻射制冷材料提出了新的要求，即，高導熱率（低熱阻）。然而，傳統的輻射制冷材料不僅不具備高導熱率，甚至是具有超低導熱率的隔熱保溫材料。這是因為，為了實現輻射制冷材料的超高的陽光反射率，通常需要構建聚合物-光散射體復合體系，而聚合物與常用的光散射體（如SiO2, BaSO4, CaCO3等球形介電顆?；蚩锥吹龋┑?em>導熱率非常低，除此之外，由于這些光學散射體通常折光率低，具有很強的前向散射以及相干散射，因而導致需要增加材料厚度以實現對陽光的高度反射。由此可見，對于傳統的輻射制冷材料來說，實現高陽光反射率與低熱阻往往是相互制約的（如圖1所示）。
圖 1 低陽光反射率與高陽光反射率輻射制冷材料傳熱模型分析。熱阻R=L（厚度）/λ（導熱率）。
有鑒于此，上海交通大學電氣材料與絕緣研究中心黃興溢教授與密西根學院的鮑華教授緊密合作，開發了一種具有高導熱率的輻射制冷絕緣材料，該材料不僅具有高達98%的陽光反射率，可以實現全天輻射制冷效果，且該材料的高導熱特性使其可用于戶外設備的高效熱管理，有效降低器件、裝備的工作溫度。相關工作以“Thermo-Optically Designed Scalable Photonic Films with High Thermal Conductivity for Subambient and Above-Ambient Radiative Cooling”發表在《Advanced Functional Materials》。
通過對多種光散射體的理論計算以及實驗，該團隊發現h-BN滿足制備高導熱輻射制冷材料的三個重要特性：
1.
展開 來源 | Chemical Engineering Journal
01
背景介紹
微納電子器件的爆炸式增長刺激了對高性能熱界面材料(TIM)的需求，以解決其過熱問題?？紤]到電絕緣性和柔韌性，采用高導熱填料的聚合物基復合材料(包括金屬、碳和陶瓷材料)受到了廣泛的關注。然而，金屬或碳填充復合材料的導電性不可避免的限制了其在電子器件中的應用。因此，氮化硼、氧化鋁或氧化鎂等具有高導熱性和電子絕緣性的陶瓷填料是高性能TIM的候選填料。
其中，六方氮化硼(h-BN)由于其高平面內導熱系數(理論上高達2000 W/(mK))和優異的電子絕緣而引起了特別的關注。為了有效地將熱源產生的多余熱量傳遞到散熱器，理想的TIM最好具有高的垂直導熱系數。到目前為止，聚合物/BN復合膜即使在高填料含量(~60 wt%)下的導熱系數一般小于10 W/(mK)。然而，這種聚合物膠合填料骨架，由于簡單的物理接觸，相鄰填料之間的界面相互作用相對較弱，這在結處造成強烈的聲子散射，極大地限制了所得復合材料的導熱性增強。
聚合物-六方氮化硼(BN)復合材料因其高導熱性和優異的電子絕緣性而成為電子器件理想的熱界面材料(TIM)。然而，由于BN填料的二維形狀和化學惰性，BN的垂直排列和巨大的熱阻是當前面臨的挑戰，阻礙了聚合物/BN復合材料的高效傳熱。因此開發新型的材料制備策略調控填料的排列方式是非常重要的研究方向之一。
02成果掠影
近期，復旦大學陳敏教授團隊在開發高導熱系數的硅基橡膠復合材料取得新的進展。該團隊提出通過結合一種新型的非溶劑誘導相分離工藝“原位焊接”策略。
展開 
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為了進一步突破碳氫基礎液體的導熱極限，引入高導熱的金屬氧化物納米顆粒制備成納米流體（Nanofluids），成為了熱管理介質的前沿攻關方向。
</p><p><br></p><p>通過局部鑲拼，團隊<u>不僅提高了關鍵區域的可維護性，也借助高導熱材料降低了粘模和拉傷的可能性，從源頭上減少了泄漏風險。
導熱矽膠布、薄膜/膠帶、導熱硅膠、導熱硅脂、導熱凝膠、導熱灌封膠、導熱墊/碳纖維導熱墊、聚合物基復合導熱材料，液態金屬，導熱灌封膠等
陶瓷基板：氧化鋁 (Al2O3)、氮化鋁 (AlN)、氮化硅(Si3N4 )、氧化鈹 (BeO)；碳化硅 (SiC)、氮化硼 (BN) 等
熱沉材料：金屬/合金(半固態壓鑄件)；金剛石/銅、金剛石/鋁等復合材料，石墨/銅、石墨/鋁等復合材料，金屬基復合材料
導熱高分子
波紋管、保溫管、水管/接 頭、冷卻管路及連接各部件等輔助散熱設備: 散熱風扇、散熱材料、增強散熱器、環境空氣交換設備;液冷核心技術與設備:包括冷板式液冷(含全液冷冷板服務器)浸沒式液冷(單相/兩相)、噴淋式液冷;冷模塊解耦設計智能溫控系統、流體分配技術;關鍵零部件如冷卻液(氟化液、礦 物油等)、冷板、泵、閥門、快接頭、換熱器;漏液檢測設備、智能傳感器、相變材料(PCM);
材料創新: 高導熱金屬材料
水為低成本的保壓材料，具備高比熱和高導熱性質，賦予水輔助射出成型制程較短的周期優勢，并協助業者達到質量控管和節能省料標準。Moldex3D WAIM 提供真實三維模擬技術，讓使用者可以完整檢視水在模穴內的穿透情形并充分解析制程，有助于優化模具設計和制程參數。
針對企業實際存在的熱堆積痛點，講師會現場指導學員優化“極耳導熱墊+液冷板流道”方案——選擇導熱率80W/(m·K)的高導熱墊，將液冷板冷卻液流速從1L/min提升至1.5L/min，最終通過仿真驗證，實現電芯最高溫度從68℃降至48℃的優化目標。這種“沉浸式”教學模式，讓學員在學習過程中直接解決自家產品的技術問題，徹底擺脫“聽懂卻不會做”的尷尬。
技術鄰講師會深入分析企業項目的具體需求與工況參數，針對性拆解難點：若工程師面臨“動力電池2C快充電芯超溫”問題（某車企數據顯示，電芯溫度超65℃時容量衰減速率加快3倍），講師會以企業提供的200Ah三元鋰電池包CAD模型為載體，全程講解“極耳導熱墊選型+液冷板流道優化”的實戰流程——通過Ansys瞬態熱仿真定位極耳熱熱點（溫度達68℃），對比不同導熱墊材質的仿真效果，最終選定導熱率80W/(m?K)的高導熱墊
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談周妥 | 中興通訊股份有限公司 熱設計工程師
作品名稱：兩相散熱器結冰鼓脹失效機理的仿真研究
作品簡介：VC、熱管等兩相散熱組件因其內部水工質的蒸發-冷凝循環，帶來數十倍于銅的高導熱性能，廣泛應用于大功耗ICT產品中。然而由于水工質的存在，低溫下常發現結冰鼓脹問題，嚴重影響產品可靠性。
選用高導熱系數的轉子材料也是有效手段。</p><p>2）. 精確熱建模：建立包含永磁體、鐵心、護套、轉軸、氣隙的詳細熱模型（網絡或CFD），精確預測不同工況（特別是峰值功率、持續爬坡）下的永磁體熱點溫度，確保其在安全溫度窗口內運行，是保障長期可靠性的基礎。
4）.材料革新：碳纖維復合材料轉子、高導熱絕緣材料廣泛應用，抑制渦流損耗。
2、現實挑戰與應用場景
盡管軸向磁通電機優勢顯著，但也面臨熱管理難題和成本壁壘。緊湊結構導致散熱路徑復雜，需依賴先進冷卻方案。精密制造和特殊材料推高成本，量產普及仍需突破。其應用場景廣泛，包括新能源汽車的輪轂/輪邊電機、高端裝備的機器人關節、無人機推進系統，以及風力發電的直驅風機。
