中國粉體網訊 隨著電氣電子設備向高功率密度化、小型輕化和高度集成化方向的發展，設備單位體積內所產生的熱量急劇增加，熱量的不斷積累及由此產生的溫升會加速絕緣電介質的老化失效，極大地降低電氣電子設備運行的可靠性和壽命。對電子器件來說，每超過額定溫度2℃，可靠性降低10%。變壓器繞組溫度每增加6℃，預期壽命縮短一半。因此，散熱是制約電氣電子設備高功率密度化和高度集成化的瓶頸問題。
近年來，國內工業界相繼開發出了高導熱環氧樹脂、高導熱橡膠、高導熱硅脂、導熱相變材料等產品，但在性能上與國外產品相比仍有很大差距，很多高端領域應用的高導熱絕緣材料長期被國外壟斷，成為我國電氣電子裝備制造業發展的瓶頸問題之一。研制高導熱絕緣材料，解決電氣電子設備的結構散熱問題，制備具有優良綜合性能的高導熱聚合物絕緣材料正成為國際電氣電子絕緣領域的研究熱點。
高導熱絕緣材料的種類
填充型高導熱絕緣材料
包括環氧/硅膠基高導熱灌封膠、環氧基高導熱膠黏劑、高導熱硅膠墊片、高導熱硅脂等。
（1）環氧樹脂：由于具有優異的粘結性、耐腐蝕性和介電性能及優良的工藝性而廣泛應用于電氣設備絕緣(如大型發電機、電動機、磁懸浮列車電磁鐵、干式變壓器、GIS盆式絕緣子、硅橡膠絕緣子芯棒等)和微電子設備絕緣封裝(如功率集成電路、大功率激光器、高亮度發光二極管、太陽能電池、IGBT和MOSFET等)。
然而，純環氧樹脂的熱導率僅約為0.2 W/(m·K)。近年來，國內外對填充型環氧樹脂基高導熱微納米復合絕緣材料進行了大量研究，主要包括填料種類及含量、表面處理、填料形狀尺寸等因素對復合材料熱導率、電氣絕緣性能及其他性能的影響。
（2）硅橡膠：是以線型聚有機硅氧烷為基料，加入交聯劑、催化劑、抑制劑以及其他助劑，在一定條件下發生化學反應形成的網狀彈性體。硅橡膠也具有非常優越的電絕緣性能。硅橡膠作為高分子基體最大的優勢就是高溫穩定性，其本身的熱分解溫度能達到300℃。導熱硅橡膠賦予了硅橡膠的導熱能力，集成了硅橡膠減震、絕緣以及良好的導熱能力等，廣泛應用于電力電子器件、航天航空、通信、LED照明、電動汽車等領域。填充型導熱硅橡膠是在硅橡膠中加入大量高導熱填料形成的硅橡膠基微納米復合絕緣材料，包括導熱硅膠墊片、導熱硅凝膠。
（3）導熱硅脂：又稱散熱膏，是以有機硅酮為基體，添加導熱填料以及各種助劑，經混合研磨加工的脂狀物高分子材料，具有低油離度、耐高低溫、耐氣候老化、耐水等優良特性。導熱硅脂是一種具有高導熱性能的有機硅復合材料，可在-50～200℃的溫度下長時間保持脂膏狀，具有其他界面無法替代的作用，可廣泛涂覆于發熱體與散熱器件之間的界面，如CPU、微波器件、溫度傳感器、電源模塊、汽車電子零部件等。ZnO和Al2O3是常用的導熱填料。而AlN會吸油，嚴重不利于分散在硅脂基體中，需要經過表面改性才能提高填充量。
（4）相變材料：是一種具備釋放和吸收相變潛熱功能的材料，在能量存儲與溫度控制方面有重要的應用。相變材料控溫原理主要是利用相變材料在低溫狀態下的熔化、升華過程來吸收熱量，并在需要升溫時釋放儲存的熱量。導熱相變材料通常是向相變材料中添加高導熱填料來提高其散熱能力。
（5）導熱填料：目前，用來制備導熱絕緣聚合物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)。
陶瓷基導熱絕緣材料
陶瓷封裝具有耐熱性好、不易產生裂紋、熱沖擊后不產生損傷、機械強度高、熱膨脹系數小、電絕緣性能高、熱導率高、高頻特性、化學穩定性高、氣密性好等優點，適用于航空航天、軍事工程所要求的高可靠、高頻、耐高溫、氣密性強的產品封裝。由于陶瓷材料所具有的良好的綜合性能，使其廣泛用于混合集成電路和多芯片模組。在要求高密封的場合，可選用陶瓷封裝。
國外的陶瓷封裝材料以日本居首，日本占據了美國陶瓷封裝市場的90%～95%，并且占美國國防（軍品）陶瓷封裝市場的95%～98%。傳統的陶瓷封裝材料是Al2O3陶瓷，具有良好的絕緣性、化學穩定性和力學性能，摻雜某些物質可滿足特殊封裝的要求，且價格低廉，是目前主要的陶瓷封裝材料。
SiC的熱導率很高，是Al2O3的十幾倍，熱膨脹系數也低于Al2O3和AlN，但是SiC的介電常數過高，所以僅適用于密度較低的封裝。AlN陶瓷是被國內外專家最為看好的封裝材料，具有與SiC相接近的高熱導率，熱膨脹系數低于Al2O3，斷裂強度大于Al2O3，維氏硬度是Al2O3的一半，與Al2O3相比，AlN的低密度可使重量降低20%，因此AlN封裝材料引起國內外封裝界越來越廣泛的重視。
高導熱絕緣材料在高科技領域的應用
在電動汽車領域的應用
電動汽車動力電池模塊、驅動電機和電控系統是電動汽車的三大核心部件，其在工作中會產生大量熱量，熱量不及時散發會降低各部件的性能和壽命，嚴重的可能會引起線路短路，造成車輛自燃。此外，充電樁的工作性能以及安全運行也與溫度密切相關。良好的散熱條件是動力電池、驅動電機和充電樁處于合適工作溫度的基本保障。采用高導熱絕緣材料能夠更加有效地降低各部件的溫度以及維持各部件的溫度一致，從而保證電動汽車的核心部件“三電”與充電樁的安全性能與使用壽命。
在不斷增加電池組數量和重量的情況下，如何快速散熱一直是困擾電動汽車電池的一個難題。目前，大多數研究是基于相變材料(PCM)配合其他組件來設計電池包熱管理系統，電池的溫度可以長期保持在相變溫度附近范圍內，而且基于相變材料的設計具有較為強大的散熱能力以及緊湊的結構。
相變材料在電池組中應用模式
現在對電動汽車熱管理系統的設計仍處于研究階段，雖然已經有成熟的冷卻系統投入使用，但也存在著體積大、成本高以及水冷導致的安全隱患問題，對主動冷卻系統的改進仍是主要攻克的問題。熱傳導聚合物復合材料為電池組熱系統設計開辟了一扇新的窗口，結合設計的導熱系統，可有效促進電池組的導熱散熱，提高安全性能。
高導熱材料在電池組中應用示意圖
在電子封裝領域的應用
由于半導體器件功率大，體積小，導致熱集聚，對電子設備性能壽命有嚴重的影響，因此對電子設備封裝有嚴格的導熱要求。電子封裝導熱包括芯片直接散熱，也包括元件間連接結構導熱，例如印刷電路板(PCB)的填充材料。
電子封裝材料主要分為三種類型：金屬基封裝材料、陶瓷基封裝材料以及聚合物基導熱材料。金屬基封裝材料具有高導熱性能以及高強度和高可靠性等優點，常被應用于軍事和航天領域的電子封裝；陶瓷基封裝材料具有良好的絕緣性能、介電常數低、CTE較低，同時具有良好的拉伸機械強度以及導熱性能，往往在高頻率下會表現出優異的性能；聚合物基導熱材料由聚合物和無機填料組成，結合了無機材料的高導熱性能和絕緣性能以及有機聚合物的重量輕、易于加工同時價格低廉等優點，導熱性能雖然沒有金屬基材料優異，但改善后的導熱性能通常會比純有機聚合物高幾倍，足以滿足大多數電子封裝熱界面散熱，并且價格相較便宜，更適用于實際應用中。
芯片封裝示意圖
另外，下一代電子產品將向著柔性方向發展，這要求新的導熱材料不光具有較高的熱導率，還需有較好的可折疊性。柔性聚合物復合材料能滿足上述要求。設計的復合材料要有高的界面導熱系數、良好的絕緣性能、靈活的結構，以解決柔性電子器件在使用中的過熱問題。
可折疊、高功率智能設備將主導下一代電子產品，這就需要強大的熱管理系統來解決散熱問題，相應的導熱材料必須有較好的導熱絕緣性能以及優秀的力學性能，可伸縮、多功能的石墨烯薄膜或是最好的選擇。
在LED封裝領域的應用
目前大功率LED產業的迅猛發展，對高導熱材料(包括膠黏劑和灌封膠)的需求日益增長。雖然LED封裝材料可以沿用電子封裝的相關技術，通過添加導熱填料等提高封裝材料的導熱性，但是由于LED受戶外使用環境、紫外線輻照等因素影響較大，因此對封裝材料也提出了新的要求，如要求透光率高、具有抗紫外線老化性能等。
封裝發光二極管的典型基體材料為環氧樹脂，這主要是由于環氧樹脂具有優良的粘接性、耐腐蝕性及電絕緣性能。但環氧樹脂抗紫外老化性能較差，長期使用會造成材料的劣化，甚至使LED失效，所以通常需要選用粒徑小于400 nm的Al2O3提高其導熱性，同時添加納米ZnO、TiO2等紫外屏蔽材料做進一步改性，在保證良好的透光率下提高環氧樹脂的耐紫外線老化性能。
在航空航天軍事領域的應用
應用于航空、航天、軍事等領域的器件通常都需在高頻、高壓、高功率以及高溫等苛刻的環境下運行，并且要求高可靠性，無故障工作時間長，對散熱的要求極高，因此對絕緣材料的導熱性、力學性能、耐熱性能提出了更高的綜合要求。
陶瓷材料具有耐高溫、高強度、低密度、高氣密性、耐氧化以及極高的熱導率等諸多優點，因此被廣泛用于航空、航天、軍事等領域。例如，采用碳化硅纖維增強的碳化硅(SiC/SiC)等纖維陶瓷制造高速飛行器頭錐、尾錐和整流罩等彈體部件，不僅可以減輕重量，而且可以省去部分冷卻部件。
具有良好絕緣性和高導熱系數的氮化物和碳化物，包括氮化鋁、氮化硼、氮化硅、碳化硅等陶瓷已被廣泛應用于戰機、導彈、衛星、火箭等電子系統的封裝和高強度耐高溫部件。同時，將這些無機陶瓷填料填充到橡膠、塑料等基體材料中，也可以制得具有良好綜合性能的導熱絕緣橡膠、塑料等。
通過在液體硅橡膠中高填充氧化鋁及氮化硼等粉末，可以制備耐高溫的導熱硅橡膠，用于電子器械等；將氧化鋁氣相涂敷改性后的氮化鋁粉末填充硅橡膠，可制取高導熱、高耐熱性封裝材料或連接材料等。美國Berquist公司將研制的導熱絕緣橡膠用于飛機、太空倉、電機控制、汽車、家用電器等領域，處于世界領先水平。
航天應用導熱聚合物
導熱絕緣材料的發展方向
納米導熱填料
新型導熱填料的納米化是未來的一個重要研究方向，如果將無機填料的粒徑減小到納米尺寸，其導熱性會因粒子表面原子數、內部結構等納米效應而發生質的變化，如：普通AlN粉末的導熱系數約為36 W（/m·K），而納米級AlN的導熱系數可達320 W（/m·K）。日本協和化學工業公司研發的高純度納米MgO，其導熱系數大于50 W（/m·K），較普通MgO粉體的導熱系數提升了近一倍。
高取向導熱填料
普通的顆粒型導熱填料為無規取向的燒結結構，其形成的導熱通道有多個方向。而實際應用中通常希望只在某個方向上具有很高的熱導率，因此設計結晶取向度高、結晶完整的纖維狀導熱填料可以大幅提高導熱方向上(纖維軸向)的熱導率，用聚合物制備成復合材料后，纖維狀的取向導熱填料也可以在導熱方向上保持極高的熱導率，從而制備出熱導率遠高于普通顆粒狀填料填充的復合材料。
新型導熱樹脂
通過在樹脂分子結構中引入聯苯、萘、蒽等剛性結構，提高分子鏈的規整性，形成液晶或結晶型樹脂，提高聚合物材料的導熱性。除了開發熱塑性結晶聚合物外，更需開發更多種類的熱固性液晶、或固化后具有規整性或結晶結構的樹脂，并降低成本，以滿足電氣澆注、浸漬等對樹脂高導熱性的要求。通過進一步在新型導熱樹脂中添加導熱填料可更大幅度的提高其導熱性。
填料改性及傳熱結構的設計
通過對導熱填料表面進行有效的改性可以提高其分散性和導熱性，但同時還要注重各種形狀和尺寸的導熱填料的配合使用，并對導熱填料進行組裝控制，以達到最佳的填充效果，為聲子傳熱建立最佳通道，從而提高其導熱性能。
結語
國內在高導熱絕緣材料，特別是原材料方面相對于日本、歐美等國家的技術水平還相對落后，仍需加強在該領域的研發投入，開發出具有更高熱導率、更多品種的適用于電機、電子、LED封裝、航天軍事等領域的高端導熱絕緣材料，推動國內電氣絕緣技術的發展。
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
田付強等：高導熱絕緣材料及其在電動汽車中的應用
陳明華等：聚合物基導熱絕緣復合材料研究與應用進展
劉科科等：高分子復合材料用導熱填料研究進展
（中國粉體網編輯整理/平安）
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