淺談導熱凝膠的研究方向

導熱凝膠作為導熱界面材料代表產品之一，由于具有較高的導熱系數和較低的壓縮變形應力，容易操作，可實現可連續性自動化生產而備受關注。隨著5G技術日漸成熟，電子設備的散熱要求越來越高，對導熱凝膠的性能要求也越來越高，其中在高導熱性能，以及在保持足夠導熱性能的基礎上，減少或避免滲油，增加與被貼基材的密著力（粘附力）、耐老化等性能，是近年來的主要研究方向。

1、高導熱性能

目前提高硅膠導熱系數的常規方法是在硅橡膠中加入具有較高導熱系數的導熱劑粉體如準球/球形/角形氧化鋁、耐水解氮化鋁、單峰氮化硼、類球形氧化鎂、單峰氫氧化鋁、氧化鋅和碳納米管等功能性粉體，經過攪拌、混合和封裝制成的凝膠狀導熱材料。

目前按照是否可導電，導熱硅橡膠中使用的導熱劑粉體可分為導電型導熱劑粉體和絕緣型導熱劑粉體。導電型導熱劑粉體包括鎳、銅、銀和鋁等金屬顆粒及碳材料，主要通過聲子和電子機制同時導熱，因此導熱系數較高。但隨著導電性填料的加入，硅橡膠的電絕緣性能會降低，限制了應用領域。而絕緣型導熱劑粉體主要是金屬氧化物和碳族元素的化合物，即使在高填充量情況下，電絕緣性能幾乎不受影響，因此絕緣型硅橡膠復合材料在電子、電氣領域的應用更廣。

2、低滲油性

硅凝膠硫化后為固液共存的狀態，交聯密度較低（為加成型硅橡膠的1/10~1/5），使得制得的導熱硅凝膠容易出現滲油的問題，從而污染電子器件，降低其長時間工作的可靠性，因此在提高有機硅樹脂導熱率的同時，需要避免滲油的產生。

導熱硅凝膠的交聯密度越大，其滲油量越小。這是因為交聯密度大的導熱硅凝膠體系中，更多的有機硅高分子相互反應和交聯成完整的網絡結構體系，流動性好、未交聯樹脂基本上不存在，因此減少了滲油量的產生。

導熱硅凝膠的流速和滲油率成正比，流速越大，滲油率越大；在硅油黏度保持不變時，隨著導熱劑粉體的不斷增加，導熱系數增加，導熱硅凝膠的流速出現明顯的下降，滲油率也逐漸降低。對于吸油值較高的導熱劑粉體，其滲油率相對更低，另外通過改性后使導熱劑粉體和硅油的接觸效果更好，就更利于構建導熱通路，在保持較好的導熱系數的同時，滲油率更低。

3、高密著力（粘附力）

在某些應用場合，如電池模組的PET膜和鋁合金之間對導熱硅凝膠有一定的密著力（粘附力）性能要求。導熱硅凝膠的密著力性能主要與膠體的黏性和本體強度相關，膠體的黏性決定了其在粘接界面上的粘接強度的大小，本體強度則決定了膠體本身被破壞時所需要的力，即通常所說的膠體的內聚力。

密著力大小取決于膠體產生的界面粘接力與本體內聚力中較小者。如果膠體的粘接力小于膠體本身被破壞時所需要的內聚力時，發生界面破壞，密著力大小主要取決于膠體的粘接力即黏性；如果膠體的粘接力大于膠體本身被破壞時所需要的內聚力時，發生內聚破壞，密著力大小主要取決于本體內聚力。

通過選擇合適粘度的基礎聚合物，調控交聯劑中的氫含量、導熱劑粉體與基體的質量比等來改善導熱凝膠的密著力。

4、耐老化性

傳統導熱凝膠在存儲和使用過程中經常會由于受熱和零部件擠壓容易出現“垂流”和“開裂”等現象，耐候性差，導致界面熱阻的大幅升高，廢熱無法及時導出，最終影響到電子設備的工作表現和使用壽命。

有研究表明通過對有機硅進行改性，增強了導熱凝膠的附著力、耐熱性；以及通過對導熱劑粉體進行改性，及復合導熱劑粉體等設計合理配方，既能在整體上提高導熱性能，又能賦予了導熱凝膠高耐候性、高附著力、抗老化性，改善導熱凝膠遷移、變硬、開裂現象。

結語

目前，導熱硅凝膠僅限于有機硅基體與常見的導熱劑粉體的共混復合，所得到的導熱硅凝膠的綜合性能欠佳，無法應用于高端領域。因此，需要從有機硅樹脂本體、導熱劑粉體以及本體和導熱劑粉體復合等方面來提升導熱硅凝膠的綜合性能，如從有機硅基體的類型、分子量及其分布、黏度、比例等方面進行基體的設計，引入功能側鏈等方式進行基體的改性，借助樹枝狀或大環形結構的含氫硅氧烷對基體進行交聯度優化，對導熱劑粉體進行表面功能化，基體和導熱劑粉體復合時對填料的雜化處理等，這些都將成為導熱硅凝膠研究的新方向。

隨著高頻、高速5G時代的到來，電子器件的集成度的提高、聯網設備數量的增加以及天線數量的增長，設備的功耗不斷增大，發熱量也隨之快速上升。具有優異綜合性能的新型導熱硅凝膠也必將成為戰略性新興領域必不可少的材料之一，并廣泛應用于各個領域。

參考來源：

陳維斌《導熱硅凝膠的研究與應用進展》（中國膠粘劑）

林偉毅等《一種高耐候性的導熱凝膠組合物及其制備方法》（發明專利）