導熱填料
關注創建者：熱管理博覽會 創建時間：2023-09-14
導熱填料的實例教程
圖2 BNN-30@BNNS異質結構填料/玻璃纖維布/環氧樹脂層壓導熱復合材料制備及性能
（3）在導熱填料的表面功能化改性研究方面
鑒于導熱填料和樹脂基體聲子振動頻率不匹配問題（通常被認為是界面熱障），SFPC課題組前期通過界面分子學設計，在BNNS（Appl Mater Inter, 2020, 12: 1677；圖3）、石墨烯（J Mater Chem C, 2018, 6: 3004；入選2018年“中國百篇最具影響國際學術論文”）、BN（Composites Part A, 2017, 101: 237）和GNPs（Compos Sci Technol, 2017, 139: 83；Int J Heat Mass Tran, 2016, 92: 15）等導熱填料表面引入特定的聚合物層，有效改善了導熱填料和聚合物基體間的界面相容性，顯著降低了界面熱障，解決了由于導熱填料/樹脂基體界面熱障引起的復合材料導熱性能提升不佳的關鍵問題。
展開 對于填充型聚合物復合材料，導熱系數的提高主要是由于高導熱填料的加入。填充型導熱復合材料的導熱機理可以通過導熱路徑理論、熱滲流理論和熱彈性系數理論三種不同的理論來解釋。其中，熱傳導路徑理論是最被廣泛接受的機理。熱傳導路徑理論、熱滲流理論和熱彈性系數理論示意圖，如圖4所示。
圖4.復合材料的導熱機理。
1.1 熱傳導路徑理論
通過在聚合物基體中連接導熱填料來建立導熱路徑。填料與基體之間的界面熱阻和基體的??
值是決定材料導熱系數的關鍵因素(圖4a)。當填料在聚合物基體中的濃度較低時，顆粒相互遠離。因此，聚合物復合材料的導熱系數仍然很低。當填料濃度不斷增加時，顆粒相互接觸，形成導熱網絡，為熱流提供了更好的路徑(圖4b)。在熱流方向與導熱網絡平行的情況下，復合材料的導熱性明顯提高。相反，未能在熱流方向建立導熱網絡會導致相當大的熱阻。復合材料的導熱性不能明顯提高。
1.2 熱滲透理論
滲透理論最初是用來解釋導電復合材料的導電現象。在填料含量較低的情況下，填料均勻分散在聚合物基體中，形成“海-島結構”，而不形成連續的網絡，因此隨著填料含量的增加，復合材料的電導率增加緩慢。隨著導電填料的增加，當填料含量達到滲透閾值時，導電填料相互連接，形成“海-海結構”，電導率顯著提高。在導熱復合材料領域，滲流理論也可以解釋復合材料的導熱行為。然而，它是否能夠完全描述這種行為仍然存在爭議。在較寬的填料用量范圍內，在某些聚合物復合材料中未觀察到滲透點，并且幾乎沒有突然的變化。許多研究者認為，導熱填料必須具有足夠高的值才能產生熱滲流。因此，只有在具有較高的值的顆粒中，如CNTs和石墨烯納米片，才能觀察到類似于傳導行為的熱傳導滲透現象(圖4c)。
展開 04
導熱填料的影響
除對 CFs 進行表面改性來提升復合材料熱導率外，向 CFRP 復合材料中加入高導熱填料備受關注。根據形狀可將高導熱填料分為顆粒填料、線狀填料和片狀填料。圖 3 為顆粒、線狀和片狀填料加入 CFRP 復合材料導熱機理的示意圖。
圖 3 （a）顆粒填料、（b）線狀填料、（c）片狀填料和（d）混合填料增強 CFRP 復合材料熱傳導機理
對于顆粒填料而言，含量低時，顆粒與 CFs 彼此獨立，不能形成連續的導熱網絡，含量高時，導熱填料會增大與基體和 CFs 之間接觸面積，作為相鄰 CFs 之間熱傳導橋梁，縮短熱傳遞路徑，提高形成相互接觸的導熱通道概率，減少界面熱阻，促進熱量傳輸，提高復合材料的導熱性能。
與顆粒狀填料相比，線狀和片狀填料較容易與 CFs 形成接觸，構建成連續的熱傳導網絡，為熱流創造高效傳導途徑，更有效地增強 CFRP 復合材料熱導率。此外，將多種形狀尺寸的填料進行耦合（如圖 3（d））可以進一步增加熱傳導路徑，提升熱導率。
根據材料類型可將填料分為包括金屬填料、陶瓷填料和碳基填料，部分上述填料的熱導率如圖 1（e）所示。各種填料對 CFRP 復合材料熱導率的增強作用介紹如下：
4.1 金屬填料
各種金屬如Cu、Al、Ag等因自由電子的存在，具有很高的熱導率，然而金屬填料的耐腐蝕性差，易被水、大氣和各種有機或無機溶劑腐蝕，此外，金屬填料加入容易造成復合材料密度增加、導電性增強等，在一定程度上限制了其應用范圍，因此用于提升復合材料的熱導率的研究較少。
展開 目前一般通過兩種方法來提高其導熱性能：（1）提高結晶度，利用聲子在晶格中的傳播導熱。但該方法復雜、成本高，難以實現大規模的工業化生產。（2）加入具有較高導熱系數的導熱填料如氮化鋁、氮化硼和碳納米管等，制備填充型導熱復合材料。該方法因易于加工成型和低成本而被廣泛應用。
表4. 常見幾種填料的熱導率。
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.2 影響導熱率的因素
高分子材料熱導率的主要影響因素有：導熱填料的種類以及百分比、溫度、結晶度、分子鏈取向、密度和濕度等。
（1）理想的導熱填料首先得具備以下幾個條件，首先導熱填料能夠發揮其導熱能力，這種能力取決于填料的顆粒形狀、尺寸比、表面特征、本身導熱性、環境因素等。其次填料要具備良好的可填充性。試驗證明導熱填料表面經偶聯劑或表面處理劑處理后，可以提高導熱填料與基體之間的相容性，從而提高基體材料的導熱性能和不顯著降低其力學性能。
（2）高聚物熱導率與溫度的依賴關系是比較復雜的總的說來?隨溫度的升高熱導率增大。但結晶聚合物和非結晶聚合物的熱導率隨溫度的變化規律有所不同。
（3）聚合物的結晶度對熱導率有非常大的影響。這是因為在晶區內分子鏈的排列結構具有長程有序從而格波在晶區內部傳播過程中?聲子間碰撞幾率較小，相應的聲子平均自由程較大，故晶區部分的熱導率較高。而在非晶區內由于分子鏈排列雜亂無章聲子受到的散射嚴重，相應的聲子平均自由程較小，從而非晶區部分的熱導率較低。
（4）高聚物的熱導率受分子鏈取向影響很大。拉伸非晶態聚合物，大分子鏈沿拉伸方向取向，因為鏈的共價鍵熱傳導能力比鏈間熱傳導能力強得多，所以沿拉伸方向的熱導率分子鏈比垂直方向的大得多，產生強烈的各向異性。
展開 自修復彈性基體PUUE及二元導熱填料BNNS-LM的設計與加工
為了解決上述問題，本工作采用的策略主要分為三個步驟：(1)制備出具有自修復特性和優異機械性能的柔性彈性基體；(2)加工得到具有優異導熱性能并且和柔性基底具有理想界面作用的導熱填料；(3)復合加工得到所需復合材料。首先研究者們通過多級氫鍵交聯得策略合成了具有高拉伸性的自愈性能的PUUE彈性體。如圖2所示，彈性體表現出極端拉伸性（超過40倍拉伸），并在沒有任何外部刺激下表現出快速自愈能力(25 °C, RH=55%)。
另一方面，傳統的絕緣導熱填料通常具有較高的模量，引入柔性聚合物基體中通常會導致其喪失柔軟的特性；硬質填料會限制分子鏈的運動，進而會降低材料的自修復效率。針對這些問題，在本文中作者報道了一種新的填料設計思路，選用氮化硼納米片(BNNS)和液態金屬(LM)作為導熱填料，在機械剪切的作用下，液態金屬以微納米尺寸的液滴形式牢固地錨定在BNNS 表面。其中，具有高導熱的BNNS作為傳熱的主要載體有利于促進熱量在復合材料內部的耗散；界面修飾的LM液滴作為導熱填料和聚合物基體之間緩沖層，其具有良好的形變能力能有效過渡聚合物和填料之間的應力傳遞，并能維持聚合物分子鏈良好的運動能力，從而能有效克服復合材料中應力集中和硬化的問題，同時維持良好的自修復效率。
圖3 PUUE/BNNS-LM復合材料的機械、導熱及自修復性能展示。
基于獨特結構的BNNS-LM 二元填料結構設計, 結合具有高機械性能的自修復彈性基體的合成，該工作中得到的復合材料完美地平衡了導熱、柔性和自修復效率之間的矛盾。
展開 
導熱填料的最新內容
展覽時間：
2026年6月10日（周三） / 9:00-17:00
2026年6月11日（周四） / 9:00-17:00
2026年6月12日（周五） / 9:00-15:30
展覽地點：
深圳國際會展中心14號館（寶安新館）
（深圳市寶安區福海街道展城路1號）
◆ 展品范圍
導熱填料：無機非金屬：氧化鋁、氧化硅、氧化鋅、氮化硼、氮化鋁、氮化硅
展會匯聚各類導熱填料、熱界面材料、碳材料、石墨烯、陶瓷基板、高性能散熱材料、液冷散熱技術、生產加工設備等類別的品牌企業，為熱控全行業人士提供專業高效的采購選品與業務交流的一站式服務平臺。屆時，熱忱歡迎國內外的導熱散熱材料企業及其相關行業人士前來參觀與交流！
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一種具有柔性金屬級導熱的石墨烯纖維基熱界面材料
浙江大學劉英軍研究員、許震研究員、高超教授團隊，首次采用高導熱柔性的石墨烯纖維作為導熱填料，并創造性地提出了一種機電雙場協同取向工程策略。石墨烯纖維（GF）具有高達約1200 W/mK 的超高導熱率和出色的柔韌性，在雙場協同取向工程策略下，獲得了兼具高垂直取向度（0.88）和優異陣列密度（33.5 mg cm2）的GF陣列。
02
企業展品布局
熱管理材料主題展示區
原材料：導熱填料、聚合物基底材料、封裝材料等
導/散熱材料：熱界面材料、導熱高分子材料、碳材料、陶瓷基板、熱沉材料、相變材料（儲熱）等
隔熱材料：氣凝膠、泡沫隔熱材料、真空板、碳氈、復合保溫隔熱材料等
輔助材料與配件：離型膜、雙面膠等
液冷主題展示區
原材料：冷卻液、金屬材料等
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企業展品布局
熱管理材料主題展示區
原材料：導熱填料、聚合物基底材料、封裝材料等
導/散熱材料：熱界面材料、導熱高分子材料、碳材料、陶瓷基板、熱沉材料、相變材料（儲熱）等
隔熱材料：氣凝膠、泡沫隔熱材料、真空板、碳氈、復合保溫隔熱材料等
輔助材料與配件：離型膜、雙面膠等
液冷主題展示區
原材料：冷卻液、金屬材料等
其中目前應用較多的導熱填料可分為金屬顆粒、氧化物、氮化物（氮化硼、氮化鋁等）以及碳材料。
從市場格局來看，液冷氟化液海外相關供應商主要有3M、蘇威、旭硝子等，國內相關企業有巨化股份、純鈞新材等。
通過在聚合物基體中均勻分布加入各種類型和尺寸的導熱填料，可以顯著提高聚合物材料的導熱性。然而，高含量加載(> 87%)會導致聚合物復合材料的加工性能受到嚴重阻礙，并通過增加聚合物復合材料的剛度和變形能力而導致機械性能惡化。因此開發出具有優異熱管理性能的導熱復合材料是非常重要的。
傳統的復合材料是將導熱填料如氧化鋁、氮化鋁、碳化硅、氧化鋅或銅分散在聚合物基體中制備的，這些復合材料的導熱系數達到7 W/mK。然而，油脂類材料和低導熱系數的問題嚴重限制了它們在高功率電子設備中的熱管理。液態金屬導熱系數達到30 W/mK，并且通過表面改性方法與聚合物具有良好的可加工性，液態金屬基聚合物復合材料在可穿戴類電子的熱管理的應用中顯示出巨大的潛力。
目前，絕緣TIMs是通過隨機混合導熱和絕緣填料(如氧化鋁、氮化硼和氮化鋁)和聚合物(通常為有機硅)來獲得的，這導致導熱系數低于8 W/mK。更嚴重的是，過高的填充物含量會降低材料的柔軟性和回彈性，在實際應用中會阻礙芯片與散熱器之間的熱傳導。在相對較低填料含量的情況下，提出了一種高通平面導熱系數的策略是調節填料的垂直方向。
雖然目前的PCMs具有優異的形狀穩定性和柔韌性，但由于難以加入導熱填料，其導熱性仍然有限。因此，當PCMs用作TIMs時，對靈活性和增強導熱性的要求仍然具有挑戰性。
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成果掠影
近期，西南交通大學王勇和祁曉東團隊針對開發用于電子器件熱管理的柔性導熱相變材料取得最新進展。
