中國粉體網訊 針對電子封裝對高導熱界面材料的迫切需求，探究石墨、碳纖維等碳基填料的表面處理技術，大幅度提升熱界面材料的導熱性以及填料與基材的界面結合性，最終實現代替傳統氧化鋁填料，替代國外進口高端產品。以改性石墨和改性碳纖維等優質國產碳基高導熱填料向熱管理材料廠商提供高導熱、絕緣的高性價比產品，自己解決5G芯片散熱的卡脖子問題。
石墨烯圖片來源：pixabay
目前提高聚合物材料導熱率的方法主要有兩種，較為常用的方式是，往聚合物中加入高導熱填料。當填料的添加量達到臨界值時，填料在聚合物基體中可以形成導熱通路，從而提高復合材料的導熱率。
1導熱填料
目前最為常見的導熱填料按種類可分為三類，分別是陶瓷填料、金屬填料和碳基填料，這三類填料的導熱率都比基體要高出很多。表1列出了常用的導熱填料的導熱和導電性能。
表1部分導熱填料的導熱系數
2碳基填料
一般來講，我們所指的碳基材料包括碳纖維(CF)、碳納米管(CNT)、石墨烯(Graphene)、石墨(Graphite)以及金剛石(diamond)等。這些碳基材料本身的導熱系數都很髙，相比較于金屬或陶瓷填料而言，碳基材料也擁有著更低的質量。
2.1碳纖維改性
通過表面改性技術來提高碳纖維的表面活性，強化碳纖維與基體材料之間的界面性能，改善了其與基體的粘結效果，從而提高纖維材料在工業應用中的價值。
2.1.1涂層法
涂層法，是指在碳纖維表面涂覆一層聚合物、金屬粒子或無機非金屬及其復合物，目的是改變碳纖維的表面潤濕性，增加聚合物基體和碳纖維的相容性。表面涂層處理不僅參與形成纖維/基體間的界面相，減小復合材料制造過程中纖維/基體間的熱殘余應力，而且可以減小應力集中，使纖維表面性能平均化。
2.1.2等離子處理
等離子噴涂過程是一個高速碰撞沉積，將熔融或者半熔融狀態的材料噴涂到經過預處理的基體上形成涂層的過程。等離子處理具有操作簡單、工藝環保、對原絲的性能和力學強度破壞性小等優點，已成為應用較廣的一種研究方法。
2.1.3氣相氧化法
氣相氧化法是采用熱空氣、氧氣(O2)、二氧化碳(CO2)、臭氧(O3)等氣體為介質對CF進行氧化處理，處理后CF比表面積和表面粗糙度增加，表面含氧官能團的種類和數量也有所增加，從而提高CF增強復合材料的綜合力學性能。
2.1.4其他方法
此外，液相氧化法、電化學氧化法、表面接枝法、能量束處理法、稀土處理法等都是有效的碳纖維改性手段。碳纖維改性技術的關鍵在于提高碳纖維與基體的結合程度，提高復合材料的性能。而隨著環境問題的日益突出，今后碳纖維表面處理技術的低成本化、綠色化和連續生產化將是重點研究方向。
2.2石墨烯改性
填料表面處理減小聚合物基體與填料之間的界面熱阻是增加聚合物復合材料導熱性能的方法之一。
2.2.1表面接枝處理
采用諸如異氰酸酯、硅烷偶聯劑、有機胺、重氮鹽等試劑可以實現石墨烯的表面功能化。對單層石墨烯進行功能團接枝改性，這樣可以大幅度降低分子間的范德華力，不僅讓單層分散變的很容易，還可以提高與聚合物之間的相容性，可以制成分散均勻的石墨烯聚合物復合材料。
2.2.2表面等離子體處理，采用四氟化碳等離子體進行處理。
2.2.3表面活性劑處理
如聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)、木質素磺酸鈉(SLS)、聚乙烯醇(PVA)、聚氧化乙烯、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酰胺等。
整體而言，導熱填料類型、加載量與形貌是影響聚合物復合材料的導熱與力學性能的重要因素。要探究高導熱碳基填料的開發應用技術，需要進行全面且深入的專業知識學習，除了了解上述概念性的知識和大致的改性技術，我們還需要對填料屬性和導熱技術有一系列準確的認知。
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專家介紹
韓飛，湖南大學副教授，博士生導師，湖湘青年英才，新加坡國立大學博士后，斯坦福大學訪問學者。
從事功能型炭基材料的研究工作，在Angew.Chem.、Adv.Funct.Mater.、EnergyStorageMater.等國內外權威刊物上發表學術論文50余篇，授權發明專利10余項。
主持國家自然科學基金青年項目、湖南省人才創新計劃項目、湖南省重點研發計劃、長沙市科技計劃項目等多項重要科研項目。
參考來源
王金龍，等：填充型高導熱絕緣復合材料的研究進展，西安工程大學
張金成，等：填充型聚合物基導熱復合材料的研究進展，杭州師范大學
中國粉體網，粉體百科|碳纖維表面處理技術
