導熱填料的研究進展與應用綜述

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引言

導熱界面材料是一種用于集成電路封裝和電子元器件散熱的材料，主要是通過填補電子元器件與散熱器接合或接觸時產生的微空隙及表面凹凸不平的孔洞，降低電子元器件和散熱器之間的界面熱阻，以提高電子元器件的散熱性能[1,2]。

行業上常見的導熱界面材料主要分為導熱墊片、導熱脂、相變材料和導熱凝膠等幾大類[3]。該材料通常是向聚合物基體添加高導熱填料制備成的一種聚合物復合材料，大多數的聚合物復合材料的熱導率較低，導熱性能的提高主要依賴于導熱填料，其性能優化機制與結構設計策略備受學界關注。

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導熱填料的分類與特性[1,4,5]

目前，常見的導熱填料主要分為金屬材料、陶瓷材料、碳類材料等。不同填料的導熱性能、絕緣性、成本及應用場景存在顯著差異[1]。

表1常見導熱填料的導熱系數[1]

2.1 金屬材料

金屬類填料遵循電子導熱機理，具有熱導率高、熱穩定性能良好及熱膨脹系數低等優點。常見的金屬類填料包括銀、銅、鋁等，通常以粉末形式進行添加。

銀的導熱系數極高，約為417W/(m·K)，是理想的導熱填料，但由于其成本高昂，應用受到一定限制；銅的導熱系數約為398W/(m·K)，導熱性能也很優秀，且相對銀來說成本較低，在一些對導熱要求較高的領域有廣泛應用；鋁的導熱系數約為315W/(m·K)，具有成本低、重量輕的優勢，但導熱性能略遜于銀和銅。

金屬填料能夠顯著提高高分子材料的導熱性，例如，在電子封裝材料中，添加適量的銅粉可以有效提高材料的導熱性能，幫助電子元件快速散熱，提高其穩定性和可靠性。

2.2 陶瓷材料

無機陶瓷類導熱填料具有優異的導熱性及電絕緣性，在電子封裝領域具有獨特優勢。常見的無機填料主要包括氧化鋁（Al2O3）、氮化硼（BN）、氮化鋁（AlN）、碳化硅（SiC）、和氧化鋅（ZnO）等。

氧化鋁是一種常見的陶瓷填料，具有較高的硬度和良好的導熱性能，導熱系數約為30W/(m·K)。其價格相對較低，來源廣泛，是提高材料導熱性能的常用選擇；氮化鋁的導熱系數約為300W/(m·K)，比氧化鋁更高，是一種性能優異的導熱填料，因其與硅芯片相近的熱膨脹系數，成為半導體封裝的首選材料；氮化硼具有類似石墨的層狀結構，導熱系數約為250-300W/(m·K)。在層面方向上具有良好的導熱性能，同時，它還具有良好的電絕緣性和耐高溫性能，適用于電子、電氣等領域。

2.3 碳材料

常見的碳類填料由碳的一系列同素異形體構成，包括石墨、金剛石、碳納米管、碳纖維和石墨烯等。

石墨具有層狀結構，沿層面方向具有良好的導熱性能，通過將石墨與高分子材料復合，可以顯著提高材料的導熱率。此外，膨脹石墨和石墨納米片等形式的石墨填料，由于具有更大的比表面積和更好的分散性，能進一步提升導熱效果。

碳纖維具有高強度和高導熱性。其沿纖維軸向的導熱系數較高，可達1000W/(m·K)以上，可以在高分子材料中形成導熱通路，有效提高導熱性能。碳纖維增強的高分子復合材料在航空航天、汽車等領域有重要應用，既能減輕重量，又能提高導熱和力學性能。

碳納米管是一種具有納米級管徑的管狀碳材料，具有極高的軸向導熱系數，可高達3000W/(m·K)以上。然而，由于其成本較高、分散困難等問題，目前在大規模應用中仍面臨挑戰。

石墨烯（熱導率可達5000W/m·K）憑借超高導熱性能成為研究前沿。例如，石墨烯薄膜在智能手機散熱中的應用可降低芯片溫度約10-15℃。

2.4 硅材料

硅粉和碳化硅也是常見的導熱填料。硅粉的導熱系數約為200W/(m·K)，具有來源廣泛、價格低廉的優點，但導熱性能相對較低。碳化硅的導熱系數約為80-120W/(m·K)，具有較高的導熱系數和良好的耐高溫性能，在高溫環境下的導熱應用中表現出色。

2.5 復合填料[4]

研究發現，在聚合物基體中添加單一種類的導熱填料很難使復合材料達到理論熱導率，這是由缺陷、界面等因素引起的聲子散射及填充量過高導致的加工困難所致。將不同形狀或類型的導熱填料進行復配后，復合填料可有效減少聚合物基體中的空隙，構建完整的導熱通路，還可以改善填料在聚合物基體中的分散性。制備復合導熱填料的方法包括直接共混法與物理吸附法。

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導熱填料的制備技術與性能優化

3.1 形貌控制與結構設計

導熱填料的形貌和結構對其性能有著至關重要的影響，通過精確控制形貌和巧妙設計結構，可以顯著提升導熱填料的性能，滿足不同應用場景的需求。

3.1.1球形氧化鎂[6,7]

球形氧化鎂作為一種具有獨特結構的導熱填料，展現出了優異的性能，由于球形結構的各向同性，可提高復合材料的導熱性能效果，相比于棒狀或片狀結構來講效果更好。球形氧化鎂可以在色譜法中作為固定相材料，可以作為吸附有毒物質的材料以及添加到塑料中提高導熱性等方面都有十分重要和有效的應用。例如，在制備導熱灌封膠時，添加球形氧化鎂可以使其導熱性能得到顯著提升，同時還能保持較好的流動性和機械性能。

球形結構的氧化鎂是由前驅體球形堿式碳酸鎂或球形氫氧化鎂或球形堿式草酸鎂鍛燒而成的。以球形堿式碳酸鎂為例，其球體結構是由片狀結構的堿式碳酸鎂堆積而成，首先產生交叉片狀結構，然后無定型物質在交叉片狀結構兩側開始逐漸生長，直至長成類似鳥巢形或是球形。

3.1.2金屬納米線[4,5]

金屬納米線是一類一維納米結構材料，其獨特的高長徑比結構有利于在聚合物基體內部形成完整的導熱通路，故填充少量的金屬納米線即可顯著提高基體的導熱性能。

胡延鵬等[8]用液相還原法制備銅納米線與銅納米片，并將其與環氧樹脂共混制備填充型導熱材料；Chen等[9]采用溶膠-凝膠法，將二氧化硅絕緣層均勻涂敷在銀納米線上，有效改善了復合材料的介電性能，提高了復合材料熱導率。

3.1.3構建導熱通路

在復合材料體系中構建完整的導熱通路對熱導率的提高效果更為顯著。Hu等[10]在高溫下對Al2O3粉末進行燒結以獲得多孔陶瓷骨架，可有效提高聚合物基體的熱導率及力學性能；Lee等[11]將多元醇法制得的銀納米線/氮化鋁顆粒連接成為三維填料網絡，再將環氧樹脂填充并固化于3D填料網絡的孔隙中，結果顯示，在相同的填充量下，具備三維填料網絡的復合材料表現出更優越的熱管理性能。

圖1銀納米線-氮化鋁/環氧樹脂三維網絡的制備工藝示意圖[11]

3.2 表面改性技術[5,12,13]

表面改性技術是提升導熱填料性能的重要手段之一，它能夠有效改善填料與基體之間的界面相容性，降低界面熱阻，從而提高復合材料的整體導熱性能。

很多表面改性劑已被用于改性填料表面以減少界面熱阻，包括表面活性劑、偶聯劑、有機硅烷和鈦酸鹽、功能聚合物和無機涂料等。

3.2.1硅烷偶聯劑

硅烷偶聯劑是常用于表面處理的方法之一。不同硅烷偶聯劑對無機顆粒進行表面修飾可以有效地在無機顆粒表面引入不同基團，如環氧基，氨基等。引入的基團與聚合物基體間發生共價結合，使得無機顆粒與基體間有較為平滑的接觸界面，大大降低了界面接觸熱阻，從而提高復合材料的熱導率。需要注意的是，引入不同的基團對其熱導率的改善效果也不盡相同，這是因為不同基團對不同基體的結合程度不同。

圖2不同官能團修飾后的Al2O3顆粒在基體中分散狀態[12]：

(a)環氧基修飾Al2O3；(b)氨基修飾Al2O3；(c)氧化石墨烯修飾Al2O3

3.2.2其他技術[4,12]

對無機顆粒進行表面接枝，在其表面引入終端基團同樣可以起到改性的效果。Ribeiro等[14]采用微波輔助反應，采用四乙基胺（TEPA）對單層氧化石墨烯進行表面修飾（GO-TEPA），復合材料熱導率較純組分環氧樹脂基體提高103%。

除對導熱填料進行表面修飾提高界面相容性外，還可以通過在填料周圍包裹其他材料來提高整個復合體系的導熱性能。簡剛等[15]采用液相法，將具有強絕緣性的鈦酸鋇（BaTiO3）作為外殼包裹石墨烯內核形成核-殼型導熱填料，結果表明，兩種材料間電導率及介電常數的反差越大界面處極化作用越強，復合材料的介電性能越好，因此核-殼型石墨烯@Ba-TiO3填料表現出良好的電絕緣性。

3.3 復合填料設計[1,4]

復合填料設計是通過將不同類型或不同粒徑的導熱填料進行組合，以實現性能的優化和功能的集成，滿足復雜工況下對材料性能的多樣化需求。

Xu等[16]利用氮化鋁晶須和氮化鋁顆粒作為填料配合使用，制備了一種導熱系數高達11.0W/(m·K)的PVDF基復合材料。Zeng等[17]在二維的氮化硼納米片（BNNSs）和一維的碳化硅納米線（SiCNWs）上修飾銀納米粒子（AgNPs），制備了一種新型的聚乙烯醇（PVA）復合紙，面內導熱系數可達21.7W/(m·K)。

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導熱填料的應用領域[18]

4.1 電子設備散熱

智能手機、服務器等高性能設備依賴導熱界面材料（TIMs）降低芯片溫度。導熱填料作為解決散熱問題的關鍵材料，在該領域發揮著舉足輕重的作用。

2025年3月，紫光閃存推出了UNIS SSD S5和S5 Ultra兩款PCIe 5.0固態硬盤，二者均標配1mm超薄石墨烯散熱片；球形氧化鎂其球形結構可形成有效的導熱網絡，成為LED散熱的理想選擇；高導熱氮化物填料，如氮化鋁（AlN）和氮化硼（BN），在芯片封裝中發揮著重要作用。

4.2 新能源汽車

隨著新能源汽車產業的蓬勃發展，動力電池作為新能源汽車的“心臟”，其性能和安全性備受關注。2025年，國內企業德邦科技、美晨科技等紛紛布局新能源汽車熱管理行業，為汽車多個核心系統提供相應的熱界面材料。

4.3 高溫絕緣與特殊場景

在一些特殊的工業領域和應用場景中，如高溫電爐、航空航天等，對材料的性能提出了極為苛刻的要求。這些場景通常伴隨著高溫、高壓、強輻射等極端條件，普通的材料難以滿足其復雜的性能需求。

氧化鎂填料因其優異的導熱性能和絕緣性能，能夠有效地將熱量傳遞出去，保證電爐內部溫度的均勻分布，成為高溫電爐的理想選擇；石墨烯作為一種新型的碳基材料，具有極高的平面導熱率，可達2000W/(m·K)以上，被用于制造航天器的熱防護部件和散熱結構。

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研究現狀與發展趨勢

5.1 研究現狀

在導熱填料的研究與發展進程中，眾多關鍵技術取得了重大突破，上海核工程研究院成功獲得專利“導熱填料的制備方法、導熱填料和導熱材料”，滿足了一些對導熱性能要求極高的應用場景的需求；納米填料的應用也是導熱填料領域的又一重大突破，碳納米管、石墨烯等納米材料以其獨特的納米結構和優異的性能，在增強復合材料導熱性能方面展現出了巨大的潛力。

盡管導熱填料在技術突破和應用方面取得了顯著進展，但在實際應用中仍面臨著一些亟待解決的問題，這些問題制約了導熱填料性能的進一步提升和應用范圍的擴大。例如，填料與基體之間的結合強度、填料的分散狀態等[4]是導熱填料面臨的主要問題。為了解決這一問題，研究人員采取了多種方法，如表面改性、添加分散劑等，但這些方法在實際應用中仍存在一定的局限性，如表面改性可能會影響填料的導熱性能，分散劑的添加可能會引入雜質，影響復合材料的其他性能。同時，長期穩定性以及環保問題也是導熱填料發展過程中不可忽視的挑戰。

5.2 發展趨勢

隨著科技的飛速發展和各領域對材料性能要求的不斷提高，導熱填料的技術發展呈現出多元化的趨勢，為滿足未來復雜應用場景的需求奠定了堅實基礎。

智能設計是導熱填料技術發展的一個重要方向。傳統的導熱填料研發往往依賴于大量的實驗和經驗，過程繁瑣且效率低下，可通過建立機器學習模型，對大量的實驗數據和理論計算結果進行分析和學習，從而預測不同形貌的導熱填料與導熱性能之間的關系。

多功能集成也是導熱填料技術發展的必然趨勢。在現代電子設備中，如智能手機、筆記本電腦等，不僅需要材料具備良好的導熱性能，還需要具備絕緣、電磁屏蔽等多種特性。為了滿足這些需求，研究人員可通過將導熱填料與絕緣材料、電磁屏蔽材料等進行復合，可以實現多種功能的集成。

結語

導熱填料的研究正從單一性能優化向多功能復合化、綠色化方向邁進。隨著納米技術和制備工藝的突破，導熱材料將在5G通信、新能源汽車等領域發揮更關鍵作用。未來需進一步解決成本、性能平衡及環境兼容性問題，以實現大規模產業化應用。

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