最新導熱吸波材料研究進展（綜述）

摘要:   針對電子和通訊設備小型化、高度集成化帶來的散熱和電磁兼容困難問題，本文研究分析了導熱吸波材料的發展現狀，從單一的導熱功能材料和吸波功能材料的設計制備出發，歸納了導熱機理與吸波機理以及影響導熱和吸波性能的重要因素。在此基礎上介紹了一些典型的提高導熱吸波綜合性能的方法及其設計制備方法，在總結現有導熱吸波復合材料的發展現狀和問題的基礎上，考慮當前技術的不足，提出了未來導熱吸波材料的發展方向，包括制備高熱導率的聚合物基體材料、結構優化設計和增強導熱吸波復合材料綜合性能的研究。通過此研究，旨在為制備高性能導熱吸波材料提供參考，提升行業技術水平，開發出兼具高導熱和電磁波吸收功能的新型復合材料。

關鍵詞：導熱吸波材料；導熱機理；吸波機理；設計方法；制備方法；導熱性能；吸波性能；復合材料

人們對電子及通訊器件便攜、高性能、多功能和智能化的剛性需求，促使它們不斷向著小型化、集成化和高功率方向發展，從而導致系統內部產生大量的余熱以及嚴重的電磁干擾和電磁泄露問題。

這兩大問題嚴重限制了新設備的研發及用戶的使用體驗，已經成為各類設備廠商重點關注和投入的領域。

通常，設備廠商采用大量的導熱材料，例如石墨烯，來解決散熱問題；針對電子設備內電磁泄漏、電磁干擾等問題主要有 2種解決辦法：1）采用電磁屏蔽類材料和屏蔽結構對電子設備進行保護，但屏蔽罩應用場景有限、安裝工序復雜、需接地，易存在縫隙或接地不良造成屏蔽失效；2）采用吸波材料，即對需要保護的電子元器件覆蓋一層吸波材料，對電磁波進行吸收，進而達到降低或者消除電磁干擾的目的。

與采用電磁屏蔽罩相比，吸波材料具有使用方便、無需接地、適用范圍廣以及可以避免自我干擾等優點。

導熱材料與吸波材料已形成成熟的產業，并廣泛應用于解決電子設備的散熱以及電磁波吸收等領域。但是隨著 5G 技術的發展，電子設備集成度更高、芯片功率更大、電磁輻射污染頻率更復雜，而電子設備內部空間狹小，導熱墊片已經占據了器件表面縫隙空間導致無法疊加使用吸波材料。

因此，兼具高效導熱與高性能電磁波吸收雙功能的材料顯得至關重要。而在電子設備內部，導熱吸波材料不僅要考慮自身的散熱與電磁波吸收性能，更要注意自身的柔性、導電性、力學性等以防在使用過程中導致材料自身失效或者造成電子設備的損壞。

目前，市場上已有一些導熱吸波產品，如導熱吸波貼片、導熱吸波涂層等。該類產品兼具一定的導熱與電磁雜波吸收功能，可以解決一定程度上的散熱和電磁干擾的問題。但總體上是導熱和吸波材料的簡單混合，對導熱和吸波性能都進行了較大程度的妥協，從而影響其在實際中的使用效果和應用范圍。而從該領域的研究情況來看，大部分仍然集中在 2 種功能填料的共混填充方面，對于新方法、新機理和新材料的探索仍然較為缺乏。

鑒于此，本文著重從導熱吸波復合材料的設計制備方法入手，分別討論了導熱性能、吸波性能的影響因素并結合現有提高導熱性能和吸波性能的方法論述了導熱吸波復合材料常用的設計制備方法，闡述了現有導熱吸波復合材料的發展現狀以及存在的一些問題，并針對這些問題，提出了筆者認為今后導熱吸波復合材料發展的研究方向。

01、導熱復合材料的設計制備

1.1 材料的導熱機理

根據熱動力學理論知，熱量一般由物體內部微觀粒子的運動、旋轉和振動等引起，物質內部熱傳導的載體主要包括電子、聲子、分子、光子等。其中金屬材料中具有大量的自由電子，主要依靠自由電子進行熱量傳輸，而在大多數其他材料內部卻幾乎沒有自由電子，則主要通過晶格振動來實現傳熱，即聲子傳熱。

目前電子設備中常用的一類散熱材料為聚合物基材料，將導熱填料填入聚合物基體中實現強的散熱性。在填充型復合材料內部，一般有 2 條主要傳熱通道：1）熱量在填料-填料之間傳遞，2）在填料—聚合物之間傳遞，因為填料與填料之間或填料與聚合物基體之間不可能完全接觸，因此這種不完全接觸越多則會導致聲子散射越強，產生較大熱阻，導熱性降低。

1.2 影響導熱性能的因素及提高導熱性能的方法

1.2.1 結構與缺陷的影響

材料自身結構是影響本征熱導率的重要因素。目前應用較為廣泛的導熱材料例如導熱貼片，導熱涂層等大多數由聚合物作為基體材料，其結晶度低，高分子鏈段卷曲纏繞不利于振動并增加聲子散射，因此其聲子傳輸效率過低，所以絕大多數聚合物基體材料的固有導熱系數并不理想。目前，提高聚合物基體導熱系數的方法主要包括控制控制分子鏈段的排列和調控分子結構等。

而在晶體材料中，界面、缺陷或任何不連續的結構的存在將極大地降低熱導率，一般而言，材料結晶度越高，其存在的缺陷越少，固有的熱導率也會越高。但材料內部難免存在各種缺陷，如點缺陷、位錯或晶界，這些缺陷會導致聲子的散射，或多或少都會影響材料的本征熱導率。

因此可以通過提高材料結晶度來提高材料的本征熱導率，如Lim在2800℃處理碳納米管以減少雜質并提高結晶度，可以使碳納米管獲得更高的本征熱導率。

1.2.2 填料與基體界面的影響

根據填充型聚合物基復合材料導熱機理可知，由于填料和聚合物基體之間接觸不完全程度較大，且兩相材料之間的振動頻率不匹配引起大量聲子散射，因此在填料和聚合物基體界面之間會產生很高的界面熱阻，導致復合材料熱導率急劇下降。

另外，大多數填料屬于無機材料，其本身極性和聚合物基體之間相容性較差，使得填料在基體中分散較差，無法構建有效導熱路徑，同樣會導致熱導率的降低。

因此，需要對填料的表面進行處理，改善填料與聚合物基體之間的界面結合性，降低界面熱阻，提高復合材料的熱導率。

1.2.3 填料尺寸、形狀以及分布狀態的影響

由于填料與聚合物基體界面之間的聲子不匹配，因此采用單一填料進行填充時，除非提高填料的填充率，降低填料與基體界面的不完全接觸，否則聚合物基體和填料之間存在較大界面熱阻，難以獲得高導熱性復合材料。

但一味增加填充率會導致復合材料的機械性能大幅下降，同時會造成材料內部缺陷增多，會影響熱導率的進一步提升。因此為了充分利用基體內部空間，構建良好的填料—填料之間的導熱通路，可采用多種不同尺寸或幾何形貌的導熱填料復合填充，利用不同長徑比的填料復配使用，可以大幅提高顆粒之間接觸結點數目，形成更加致密的聲子傳輸網絡。另外不同形貌的導熱填料也可以協同增強復合材料的導熱性，將不同形狀的填料搭接在一起能夠有效地形成導熱網絡，而導熱網絡的形成使得界面熱阻降低并減少聲子散射化，從而增強導熱性能。

填料在基體中的分布狀態對熱導率也有顯著影響，例如在電子設備中一些部件需要在某一方向上盡快散熱，而不影響周圍其他部件，但目前普通的共混加工工藝得到的是各向同性的導熱復合材料，且導熱系數不高，無法滿足一些高功率電子器件的散熱需求，并且有些填料自身具有很強的各向異性，其在某方向導熱系數很高，但均勻分散進基體后無法發揮其高導熱的優勢。

因此，近年來越來越多的科研工作者開始致力于實現填料在基體內部的取向分布，以期在復合材料內部水平或垂直方向上實現更高的導熱系數。

1.2.4 熱逾滲現象與導通網絡結構的影響

熱逾滲現象類似于電導逾滲現象，即當導熱填料低于滲流閾值體積分數時，隨著導熱填料體積分數的增加，復合材料的導熱性也線性增加，一旦導熱填料體積分數超過臨界值，會導致熱導率的突然增加。但現有一些研究表明并不是所有導熱填料都會出現熱逾滲現象，而是會發生在特定的填料含量之上。

值得肯定的是，增加填料的填充體積分數是提高復合材料導熱性的有效方法，但目前在高填充下才能獲得較為理想的導熱系數，因此為了能在低填充條件下獲得高的熱導率，許多研究者開展了構建三維導熱網絡結構的工作，其既能確保填料的良好分布，并在基體中形成互連網絡，最大限度地減小了填料—填料界面的不利影響。

02、吸波復合材料的設計制備

2.1 材料的吸波機理

吸波材料是一類可以將入射電磁波轉化為熱能或其他形式的能量并損耗掉的材料，其總體設計原則為“薄、輕、寬、強”，但在電子設備領域中，由于空間狹小、多種器件集成、電磁環境復雜，并且吸波材料在設備中只占極小的一部分，因此在該領域中更注重吸波材料的“薄、寬、強”的性能。吸波材料實現寬帶強吸收一般需要同時滿足以下 2 個條件：1）較好的阻抗匹配特性；2）較強的損耗。（3）可以看出要實現較好的阻抗匹配，介電常數和磁導率的數值需要盡量接近；而要具備較大的損耗，材料的介電常數和磁導率的實部、虛部都要越大越好。

通常，材料的介電常數遠大于磁導率的值，因而提高磁導率和磁損耗是提升吸收強度和帶寬的必要手段。而高磁導率材料在拓寬吸收帶寬方面也具有更大的優勢。

2.2 影響吸波性能的因素及提高吸波性能的方法

2.2.1 材料本征電磁參數的影響

在吸波材料中，吸收劑的性能是決定材料吸波性能的關鍵成分，而吸收劑自身的電磁參數則是吸波性能的基礎。

2.2.2 填料分布狀態的影響

填料在基體中的分布狀態對吸波性能也有顯著影響，由上一節討論可知，選用寬厚比大的具備合適顆粒尺寸的片狀磁性吸收劑填充基體為吸波材料時，可以顯著提高材料的磁導率。但片狀形貌會使得顆粒在基體中非常容易相互搭接形成導電網絡降低阻抗匹配性，會阻礙吸波性能進一步提高，而通過包覆改性來調節材料的電阻率是一種有效手段。

03、導熱吸波復合材料的制備

由薄層復合材料的導熱和吸波機制可知，要制備性能優異的導熱吸波復合材料，需要考慮多種因素的影響。針對此問題，國內外研究者從單一的導熱和吸波復合材料開發思路入手，通過研究功能填料組分、顆粒尺寸、分布狀態以及成型工藝等多因素之間的影響關系，綜合分析各因素對復合材料導熱吸波性能的影響，試圖獲得具有實際指導價值的調控機制和方法。

3.1 傳統雙功能填料導熱吸波復合材料

雙功能填料導熱吸波材料的制備方法較為簡單、常規，而且是目前導熱吸波材料最為廣泛的設計制備方法。通過控制 2 種類型填料在基體中的配比可以制備性能良好的導熱吸波復合材料。例如：對雙功能填料的配比、顆粒粒徑大小的選用、以及界面改性和成型工藝等多因素的調控，設計制備了兼具導熱與吸波雙功能的復合材料，并且性能較好，可以滿足市面上一些產品的需求。但該種類型的導熱吸波材料也存在著一些問題，由于需要在基體材料中（一般為高分子聚合物）對 2 種不同類型的功能材料進行高填充，導致復合材料成型困難或成型后力學性能大幅下降而無法實際應用；另外，導熱劑的加入可能會影響吸波材料原有的吸波性能，2 種填料之間存在相互制約，因而所制備的導熱吸波復合材料 2種性能普遍不高。

3.2 單一雙功能填料導熱吸波復合材料

針對傳統雙功能填料導熱吸波復合材料需要導熱劑與吸收劑的同時高填充，會導致復合材料力學性能大幅下降等問題，研究者希望開發出一種單一的兼具導熱、吸波雙功能的粉體材料應用于導熱吸波復合材料的制備；也可以從核殼結構材料角度出發考慮，利用核殼結構材料的結構特性，可以將不同功能的材料進行復合，使不同的材料相互調節，取長補短，產生協同效應，從而使得可以添加單一功能粉體實現材料雙功能共同提升，可以從根本上解決目前導熱吸波材料制備過程中由于功能粉體填料添加比例受限，導熱、吸波 2 種性能提升相互抑制以及不同種類填料在基體中難以均勻分布的問題。

雖然單一雙功能粉體即可兼具導熱與吸波雙功能，但目前所制備的粉體的性能普遍不高，導熱與吸波性能依舊存在著相互制約。優異的導熱吸波復合材料需要材料內的吸波成分充分分散、隔離以提高吸波效果，材料內部的導熱成分高連續、低缺陷形成熱通路網鏈結構，急需研發新型結構的導熱吸波復合材料。

3.3 三維網絡結構的導熱吸波復合材料

前文討論可知構建三維導熱網絡結構，在基體中能形成互連網絡，可確保導熱填料的良好分布，最大限度地減小了填料-填料界面的不利影響，進一步將吸收劑分散進三維導熱網絡結構中，保證吸收劑在基體中均勻分布，可制備出性能優良的導熱吸波復合材料。

04、未來發展導熱吸波材料的研究方向

導熱吸波材料作為現在一種新型的多功能電磁防護材料，逐漸受到了國內外研究學者的高度關注。經過十多年的發展，導熱吸波材料的性能也是逐漸提升，并已應用在軍民電子設備領域，但是隨著電子設備的快速發展，其對導熱吸波的性能要求指標也越來越高，怎樣能讓現有的導熱吸波材料突破一些技術瓶頸限制，獲得更優異的導熱吸波性能，是該行業未來發展的重要環節，筆者認為未來可以在以下幾方面加強對導熱吸波材料的研究。

4.1 研究制備高熱導率的聚合物基體材料

在實際應用中，低熱導率的聚合物成為了很大一部分導熱吸波材料的應用障礙。如何能有效提高聚合物基體材料的本征熱導率值，從而可以合理降低導熱功能填料的填充，對雙功能填料的填充配比進行優化設計，實現導熱性能與吸波性能的同步提升。

對于聚合物基體材料，聲子是其中的主要熱能載體，它是晶格振動的量子化集體模式，熱能在聚合物基體中的傳導可視為聲子傳遞過程。由于聚合物鏈的高度無序，聚合物中的聲子散射現象非常明顯，導致熱導率值超低。

前文中我們也討論了幾種提高聚合物基體本征熱導率的方法，如控制分子鏈段的排列、調控分子結構等，但目前的研究工作只針對聚合物本體，而鮮有將改性過后的聚合物基體材料與導熱劑和吸波劑進行混合的研究報道。未來在提升聚合物基體本征導熱率的同時，加強其與功能填料的結合性研究，有望制備得到高性能的導熱吸波復合材料。

4.2 進行結構優化設計，實現導熱吸波雙功能一體化

隨著高精尖電子設備的飛速發展，對導熱吸波材料的性能要求也逐漸提高，為了解決目前制約導熱吸波材料性能提升的瓶頸問題，開發真正意義上兼具導熱吸波雙功能的復合材料，未來可以著重對導熱吸波材料內部進行合理結構優化設計，從單一導熱功能填料設計角度出發，首先構建三維的導熱網絡結構，在此基礎上，對材料的內部空間進行合理優化設計，將強電磁波吸收劑如羰基鐵粉、鐵硅鋁粉等分散到這些三維網絡結構材料中，既可以保證導熱劑的高連續、又使得吸波劑能在其中分散均勻，發揮出最大作用，制備出性能優異的導熱吸波復合材料。

但目前關于該種設計制備方法研究報道較少，未來需要加強該方面的理論研究。另外，現階段制備此類三維網絡結構的導熱吸波復合材料所用工藝都較為復雜，且產量低，例如 3D 打印、冰模板法、CVD氣相沉積法等，與傳統雙功能填料導熱吸波復合材料一些制備方法相比，無法實現大規模連續生產，離工業化或者商業化應用還有一段距離，未來對其制備技術也需加強研究，突破技術瓶頸限制，真正實現高效的導熱吸波復合材料的應用化。

4.3 加強導熱吸波復合材料綜合性能的研究

導熱吸波復合材料在設計制備過程中，不僅對材料主要技術參數指標(導熱系數、電磁波衰減系數、密度等)要進行評估，同時也需要考慮具體使用環境的相關要求(如耐高溫性能、機械性能、絕緣性等)，例如在電子設備中，除了需要導熱吸波復合材料同時具備高導熱及強吸波性外，另外還需要高的電絕緣性，防止導熱吸波材料在使用過程中因絕緣性不佳導致電子設備短路損毀；此外，還需復合材料具有優異的機械性能和一定的耐溫性能，能夠在其應用環境中穩定使用，且具有一定柔性，使材料與電子設備之間貼合緊密，充分發揮出材料的導熱與吸波性。

但現有關于導熱吸波復合材料的研究報道，對于復合材料的應用性能缺乏關注，大多數只研究了復合材料的導熱性以及吸波性，缺乏對復合材料綜合穩定性的一個研究，未來應當加強此方面的研究，提高導熱吸波復合材料的應用性。

05、結論

1）國內外在導熱吸波材料的研制方面已經開展了一些研究，并取得了一定的成果，但是無論從研究的廣度、深度還是材料性能，都仍然遠不能滿足應用需求。

2）由于導熱與吸波 2 種功能在設計上存在著矛盾，二者相互制約和妥協，導致性能難以全面提升，并且由填料高填充帶來機械性能下降等問題大大限制了導熱吸波材料的實際應用。

3）導熱吸波材料結構設計缺乏相應的理論指導，難以突破技術瓶頸，實現導熱吸波復合材料的高效應用化。

未來期望通過開發高熱導率的聚合物基體、實現導熱吸波填料的雙功能一體化等方法提高 2種性能的上限，并加強材料的綜合應用性能的研究。基于這些思路，在今后的導熱吸波材料發展中，對導熱吸波材料內部結構進行合理設計，開發出兼具高導熱和電磁波吸收功能的新型復合材料。

來源 | 哈爾濱工程大學學報

作者 | 王孟奇，李維，崔正明，陳志宏，官建國

單位 | 武漢理工大學 材料復合新技術國家重點實驗室

原文 | DOI：10.11990/jheu.202111046