導熱粉體的種類及其應用

常用的導熱粉體有金屬、陶瓷和碳材料。金屬材料雖然具有較高的內在價值和優良的使用性能，但其缺點是在高溫下易氧化和熱膨脹系數(CTE)高。此外，當向聚合物中加入大量金屬時，密度會增加，從而限制了要求輕量化的應用。近年來，金屬填料在熱界面材料中的應用逐漸減少。因此，本文不再介紹金屬的性質和應用。

1.陶瓷粉體

陶瓷填料導熱系數良好，然而，它們的導電性足夠低，可以用于需要電絕緣的應用，主要包括碳化物，氧化物和氮化物。常用作導熱粉體的碳化物主要有碳化硅(SiC)和MXenes。

碳化硅具有硬度高、導熱系數高(≈120W/m·K)、耐高溫、耐化學腐蝕、CTE低、化學性質穩定等特點。然而，由于其絕緣性能差，在絕緣方面的應用受到一定的限制。Yao等人利用冷凍鑄造方法實現了垂直排列和互連的SiC納米線網絡，該網絡為傳熱提供了通道，并在低填充率為2.17 vol%的情況下實現了1.67W/m·K的高通平面導熱系數。Guo等人制備了3D(CF)-MXenes通過冷凍干燥法制備泡沫，然后注入環氧樹脂，在填料含量為30.2% wt%時獲得導熱系數為9.68W/m·K的CF-M/環氧復合材料，同時獲得較高的玻璃化轉變溫度和較低的熱膨脹系數。

氧化鋁Al₂O₃有八種不同的晶體結構，其中- Al₂O₃因其穩定性高、結構緊湊、活性低、電絕緣性能優異、高的值(30-36W/m·K)和優異的介電性能而備受關注。氮化硼因為高導熱系數，高絕緣性，低比重在復合材料中深受用于青睞。

Wang等人用納米球形氧化鋁粉和水制備了花狀Al₂O₃ (f- Al₂O₃)，然后在氮化硼納米片表面涂覆Al₂O₃ (BNNSs@f- Al₂O₃)。采用熱壓法制備材料時，納米顆粒沿面內方向排列在聚合物中。Al₂O₃連接相鄰的BNNs，沿著聚合物的面內方向構建了導熱網絡。該策略實現了COC/BNNSs@f Al₂O₃復合材料，同時具有高導熱性和高分解率，低CTE，低介電常數。金戈新材以氧化鋁為主要填料，氮化鋁、氮化硼等導熱粉體為輔助材料，開發了一系列有機硅、環氧、聚氨酯材料用導熱粉體，可用于制備1-12W/m·K導熱界面材料、導熱膠粘劑等。

Gu等先通過原位聚合法制備微米BN/聚酰胺酸(mBN/PAA)化合物，再通過靜電紡絲得到mBN/PAA靜電紡纖維。制備的mBN/聚酰亞胺(mBN/PI)復合材料在低填充量的同時也具有高的值、優異的介電性能和熱穩定性。Xie等人將BNNSs在己醇中超聲制備烷基修飾的BNNSs，通過熔融混合使其融入聚丙烯中，在極低的填充劑用量(僅5.5 vol%)下，其值提高到2.74W/m·K。崔等通過化學氣相輸運制備自組裝的BAs晶體，然后通過冰模板法將填料組織成三維骨架，最后在骨架中注入聚合物基質。當BN含量為40 vol%時，復合材料的值達到21W/m·K。

2.碳材料

碳基填料在熱管理方面具有潛在的應用價值。碳基材料的不斷發展對聚合物基導熱材料的應用和高質量發展起到了至關重要的推動作用。由于碳具有多種結構形式，因此在電子、信息、能源、計算、激光等多個領域得到了廣泛的應用。它在導熱性、導電性、耐溫性、耐腐蝕性、電磁屏蔽、低密度、機械性能和界面性能方面具有優異的特性。與金屬和陶瓷材料相比，碳基材料更適合作為導熱粉體用于聚合物基復合材料。首先，碳基材料具有更高的導熱性，這意味著在相同填料載荷下，碳基填料能更大程度地提高復合材料的價值。其次，碳基材料的表面改性更容易實現，這有利于通過促進與聚合物更好的相互作用來降低界面熱阻。此外，碳基填料的低熱膨脹系數和電磁屏蔽性能可以全面優化復合材料的整體性能。最重要的方面是碳基材料的重量非常輕，符合現代電子產品向輕量化發展的趨勢。盡管碳基材料具有超高的價值和突出的機械靈活性，但其高導電性限制了其在許多有電氣絕緣要求的電子領域的應用。該問題可通過填料的表面改性和空間結構的分布控制來解決。

金剛石是自然界中通常發現的最高的材料(≈2000W/m·K)，可以用來提高復合材料的導熱性。近年來，納米金剛石(ND)作為聚合物基體的填料受到了極大的關注，它在一定程度上繼承了塊狀金剛石的優越性能，具有優異的電學性能、光學性能、力學性能和高導熱性。Song等制備了纖維素/納米金剛石(CND)復合材料，ND含量為5 wt%時，復合材料的能量值提高到5.37W/m·K。

炭黑(CB)是一種無定形的碳添加劑，其電學和熱學性能與其結構、表面性能和粒度密切相關。嵌入聚合物后，基體的導電性和導熱性可以得到改善。Zhao等人獲得了CB/石墨烯泡沫(GF)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)復合材料，并發現添加8 wt%的CB可提高復合材料的導熱性和存儲模量，與未添加的GF/PDMS復合材料相比，復合材料的導熱性和存儲模量分別提高了72%和10%。

Feng等人通過壓縮成型包覆石墨薄片的PP樹脂顆粒制備了高效建立隔離網絡結構的石墨/PP復合材料，當石墨薄片含量為21.2 vol%時，復合材料的K值達到5.4W/m·K。

石墨烯是一種由六元碳環組成的二維納米材料。它可以被翹曲成0D富勒烯，卷成1DCNTs，堆疊成3D石墨，這是其他石墨材料的基本單位。它還具有優異的機械、電氣和熱性能。石墨烯中的每個碳原子都是sp2雜化的，并且石墨烯的自由運動使得石墨烯具有超高的面內熱(≈5300W/m·K)和導電性，從而可以在相對低的石墨烯負載下實現高強度的聚合物復合材料。Qin等人報道了石墨烯被包裹在商用三聚氰胺甲醛泡沫中形成骨架。然后將PDMS注入到該骨架中，制備了RGO@MF/PDMS復合材料，其導熱系數提高到1.68W/m·K。

膨脹石墨(EG)是一種剝離形式的石墨，厚度為20-100nm。膨脹石墨填充復合材料的值取決于EG的剝離程度、在基體中的分散程度和長寬比。Kim等人設計并開發了一種誘導和控制EG膨脹程度的處理方法，即電感耦合等離子體(ICP)，進一步研究了EG體積膨脹與復合材料的容積值之間的關系。結果表明，在相同填充量下，體積膨脹率較高的EG具有較高的導熱系數增強。復合材料的最大導熱系數為10.77W/m·K，具有三維導熱網絡。

碳納米管(Carbonnanotubes,CNTs)是具有高模量和強度的各向異性納米材料，具有優異的彈性碳納米管可分為單壁碳納米管(SWCNTs)和多壁碳納米管(MWCNTs)。MWCNTs具有最高的導熱性，因為它們具有最小的比表面積，并且通過其內壁的傳熱不受其外壁缺陷的負面影響。

碳纖維也是一種重要的碳基填料。由于CF由平行于光纖軸的環形幾何結構組成，軸向熱導率(估計高達2000W/m·K)遠高于橫向熱導率(10-110W/m·K)。用少量CF代替無機導熱粉體可以同時提高聚合物的導熱性和力學性能。但其表面光滑，與聚合物基體的界面附著力很弱，因此需要對其進行表面處理，以獲得CF與聚合物之間明顯的相互作用。新型導熱粉體的不斷涌現，為制備高導熱復合材料提供了更廣闊的思路。使用具有高導熱性的結晶或連續取向聚合物作為傳統導熱粉體的替代填料，可以在聚合物基體內形成連續導熱路徑。這種策略避免了引入額外的界面熱阻，從而更大幅度地提高了材料的導熱性。

在聚合物基體中引入導熱粉體會在聚合物和填料之間產生許多界面，從而導致界面熱阻。同時，由于聚合物基體與填料極性不同，相應的界面相容性較差，使得粉體難以在聚合物中均勻分散，形成聚集。再加上界面上的間隙和缺陷，這些因素都會影響復合材料的導熱性和其他力學性能。此外，通過使用單一類型的填料來明顯提高復合材料的價值是具有挑戰性的。金戈新材通過復合搭配、表面改性、干濕法一體化等技術，將不同類型、不同形態和不同尺寸的導熱粉體糅合，形成一種高性能的導熱粉體，可以提高粉體在有機硅、聚氨酯、環氧、丙烯酸、塑料等體系的填充率，形成致密的熱路徑，從而降低體系的粘度，引發填料之間的協同作用，獲得更好的導熱性。欲咨詢具體推薦方案，可點擊右下方客服咨詢、或致電業務經理、0757-87572711/87572700。金戈新材可根據您的需求，提供定制化功能性粉體解決方案。