高導(dǎo)熱材料的研究進(jìn)展
摘耍：自二十世紀(jì)八九十年代以來(lái)，材料的導(dǎo)熱性能越來(lái)越為產(chǎn)品研發(fā)人員所看重，尤其對(duì)于航空航天、汽車(chē)制造和電子電器等領(lǐng)域， 優(yōu)異的散熱性能更是必不可少.根據(jù)導(dǎo)熱材料成分的不同，可以將其分為三類(lèi)導(dǎo)熱材料，分別是聚合物基、金屬基和陶瓷導(dǎo)熱材料.本文詳細(xì)概述了上述三類(lèi)材料時(shí)最新研究進(jìn)展，總結(jié)其優(yōu)勢(shì)和不足之處，并提出展望以期使高導(dǎo)熱材料能夠得到快速發(fā)展并廣泛應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：導(dǎo)熱材料；熱導(dǎo)率；聚合物基；金屬基；陶瓷
1. 引言
小型化，輕薄化的設(shè)計(jì)是當(dāng)前電子產(chǎn)品的主流，這對(duì)產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大考驗(yàn)。有研究顯示電子元器件溫度每升高2度，其可靠性會(huì)下降10% 在50度溫度下，壽命會(huì)縮減到室溫時(shí)的六分之一。因此，溫度一直是制約新技術(shù)發(fā)展的重要原因之一。此外，軍事武器和航天飛船等高精尖領(lǐng)域也對(duì)熱管理提出了更為嚴(yán)格的要求和目標(biāo)。目前，關(guān)于高導(dǎo)熱材料的研究較多。部分高分子聚合物以及含有導(dǎo)熱填料的高分子聚合物有十分優(yōu)秀的理論數(shù)值，主要作為儀表等電器的密封材料。此外，少量陶瓷材料已在機(jī)器外殼，電路基板上得到了實(shí)際運(yùn)用。但開(kāi)發(fā)導(dǎo)熱性能更加優(yōu)異的材料仍任重而道遠(yuǎn)。相關(guān)高性能導(dǎo)熱材料的開(kāi)發(fā)將會(huì)促進(jìn)諸多領(lǐng)域的快速發(fā)展，比如航空航天、超級(jí)計(jì)算機(jī)、大規(guī)模集成電路以及電子行業(yè)等?；诖?，本文對(duì)三類(lèi)有重要研究?jī)r(jià)值的導(dǎo)熱材料進(jìn)行了較為全面地概括。
2. 研究?jī)?nèi)容
目前，研究的高導(dǎo)熱材料種類(lèi)繁多，根據(jù)材料種類(lèi)可以分為以下三大類(lèi)，分別是：聚合物基導(dǎo)熱材料、金屬基導(dǎo)熱材料和陶瓷導(dǎo)熱材料。這三類(lèi)材料都有自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和用途，下面分別對(duì)它們做詳細(xì)的介紹。
(1)聚合物基導(dǎo)熱材料
聚合物即指高分子聚合物，其分子量一般在一萬(wàn)以上， 是目前應(yīng)用最廣泛的材料之一，其具有良好的可塑性和絕緣性能，對(duì)界面材料無(wú)腐蝕，價(jià)格較低等諸多優(yōu)點(diǎn)，但它們大多是熱的不良導(dǎo)體。在電子電器行業(yè)，高聚物是絕佳的屏蔽涂層、絕緣層、散熱介質(zhì)和減震材料，性質(zhì)非常優(yōu)異，但是其較低的導(dǎo)熱系數(shù)嚴(yán)重限制其大規(guī)模應(yīng)用，因此聚合物基導(dǎo)熱材料應(yīng)運(yùn)而生。其研究思路主要是通過(guò)在聚合物基體中復(fù)合一些高導(dǎo)熱材料來(lái)提高其綜合導(dǎo)熱性能。比如，Dang等人采用澆注成型的方法制備了SiC顆粒-Sic晶須增強(qiáng)的雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂復(fù)合材料，結(jié)果表明SiC顆粒和SiC晶須比例為1:3的時(shí)候有最佳的增強(qiáng)性能，在填料含量為40wt%有最佳的導(dǎo)熱性能，熱導(dǎo)率從0. 228W/(m ? K)增加到1. 125W/(m ? K)。Xu等采用熔融共混法制備了SiC-BN增強(qiáng)的聚氨酯復(fù)合材料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過(guò)復(fù)合之后其熱導(dǎo)率有顯著增加，在2%SiC-18%BN時(shí)具有最佳的熱導(dǎo)率0. 95W/(m ? K),是純聚氨酯的5倍，作者認(rèn)為主要是由于SiC的加入能夠起到橋接作用，使復(fù)合材料的熱導(dǎo)率顯示出最佳的熱學(xué)性能。Zhang等人用補(bǔ)強(qiáng)型酚醛樹(shù)脂對(duì)氮化鋁進(jìn)行表面改性，當(dāng)酚醛樹(shù)脂與氮化鋁質(zhì)量比為1:4時(shí)與三元乙丙橡膠復(fù)合，結(jié)果表明復(fù)合材料導(dǎo)熱率相比未改性時(shí)提高了44%,作者認(rèn)為改性提高了氮化鋁的抗水解力，防止了氮化鋁變性。Li等系統(tǒng)的研究球形氧化鋁為導(dǎo)熱增強(qiáng)劑復(fù)合聚氨酯材料，通過(guò)對(duì)導(dǎo)熱填料的表面改性和比例調(diào)控，使其熱導(dǎo)率得到顯著提高，優(yōu)化后其導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到2. 51W/(m ? K) 。
⑵金屬基導(dǎo)熱材料
金屬是目前應(yīng)用廣泛的導(dǎo)熱材料之一，其優(yōu)點(diǎn)在于強(qiáng)度高、耐磨性好、易加工和實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)等。雖然其具有較高的熱導(dǎo)率，但是面對(duì)服役條件越來(lái)越苛刻的要求，其導(dǎo)熱性能仍然有待進(jìn)一步提高。目前主要通過(guò)復(fù)合技術(shù)來(lái)優(yōu)化其熱導(dǎo)率，增強(qiáng)方式主要有纖維增強(qiáng)和顆粒增強(qiáng)兩大類(lèi)，其中又以顆粒增強(qiáng)為主。在諸多金屬材料中，鋁具有本征熱導(dǎo)率高、來(lái)源廣泛、成型性能好和密度低等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此是目前最受研究者重視的金屬基體，據(jù)統(tǒng)計(jì)本領(lǐng)域90%以上的研究與鋁有關(guān)。例如，Xiu等人采用真空熱壓法制得了顆粒直徑為200 um的金剛石-鋁復(fù)合材料，結(jié)果表明經(jīng)過(guò)金剛石復(fù)合處理后，材料的熱導(dǎo)率得到顯著提升，其最佳熱導(dǎo)率達(dá)到475W/(m ? K)。Liu等用無(wú)壓浸滲法制得了低成本的金剛石鋁復(fù)合材料，其中金剛石粒徑約為100um,復(fù)合材料的熱導(dǎo)率為298W/(m-K),研究表明在一定范圍內(nèi)粒徑越大，導(dǎo)熱性越好。此外，碳納米管作為一種新型材料，其具有超高的熱導(dǎo)率，被譽(yù)為電子行業(yè)的救星，多壁碳納米管的熱導(dǎo)率高達(dá)3000W/(m?K),Nie等人用磁力攪拌和放電等離子燒結(jié)法制備了鋁-碳納米管復(fù)合材料，但其最大熱導(dǎo)率僅172W/(m?K),原因是碳納米管與金屬形貌和尺度上的差異大，表面化學(xué)性質(zhì)相容性差，嚴(yán)重降低了導(dǎo)熱性能，說(shuō)明將碳納米管作為增強(qiáng)體技術(shù)仍不成熟，需要進(jìn)一步改善其表面性質(zhì)，協(xié)調(diào)兩者的兼容性。
(3)陶瓷導(dǎo)熱材料
陶瓷擁有常見(jiàn)工程材料中最高的硬度、耐高壓和耐高溫等諸多優(yōu)點(diǎn)。其中，氮化鋁、氮化硅和氧化錯(cuò)等陶瓷具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，目前已在諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，擁有替代金屬的潛力。雖然陶瓷材料的本征熱導(dǎo)率高，但是其制備和可加工性能較差，因此嚴(yán)重限制了其大規(guī)模應(yīng)用。此外，陶瓷材料難以大尺寸制備，而且成本較高，因此目前的研究工作主要集中于改善其制備條件和燒結(jié)工藝。例如，Zhang等以Ti02-Mg0作為燒結(jié)助劑，采用無(wú)壓燒結(jié)的方法制備了氮化硅陶瓷，結(jié)果表明該陶瓷具有較高的熱導(dǎo)率，其室溫導(dǎo)熱率為81W/(m?K),而且該方法還具有成本較低的優(yōu)勢(shì)。Zhan等通過(guò)添加硝酸鈣和硝酸鋰為燒結(jié)助劑，采用無(wú)壓燒結(jié)法制備了A1N陶瓷，結(jié)果表明燒結(jié)助劑的添加有利于A1N陶瓷的快速致密化，而且其抗拉強(qiáng)度和熱導(dǎo)率都得到了顯著的提升，其熱導(dǎo)率為136.7W/(m-K)?Lee等研究了MgO-CaO-Al2O3-SiO2作為燒結(jié)助劑對(duì)A1N陶瓷燒結(jié)的影響，結(jié)果表明該助燒劑是一種性質(zhì)優(yōu)異的材料，經(jīng)過(guò)少量添加(lwt%)即可在較低燒結(jié)溫度下使A1N陶瓷快速致密化，其導(dǎo)熱率為84W/(m-K)o由此可見(jiàn)，尋找不同的燒結(jié)助劑一直是陶瓷燒結(jié)領(lǐng)域研究的核心思路，但是目前的技術(shù)成本依然較高，離大規(guī)模生產(chǎn)制備仍有一段距離。
3.結(jié)論與展望
從上述大量研究可以看出：
(1)聚合物基導(dǎo)熱材料具有最好的發(fā)展前景，相關(guān)研究非常全面，應(yīng)用范圍也很廣，部分復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能已經(jīng)達(dá)到了原材料的十倍以上；
(2)金屬本身以自由電子作為熱的主要載體，導(dǎo)熱性能在三者中最好，通過(guò)填料的增強(qiáng)，鋁的復(fù)合材料導(dǎo)熱率已超過(guò)純銅，為導(dǎo)熱金屬提供了新的選擇；
(3)陶瓷導(dǎo)熱材料亦在不斷更新優(yōu)化，越來(lái)越多的產(chǎn)品開(kāi)始采用陶瓷基板。然而，導(dǎo)熱材料仍存在諸多缺點(diǎn)。聚合物基的復(fù)合材料導(dǎo)熱率相對(duì)仍然偏低，但它能填補(bǔ)細(xì)小空隙，建立熱傳導(dǎo)通道，尚不能廣泛替代其作用的材料出現(xiàn)。
陶瓷導(dǎo)熱材料普遍成本較高，適用范圍窄。對(duì)此，我們提出如下展望：
(1)目前填料的發(fā)展趨勢(shì)是輕量化，超細(xì)化，多樣化，低成本化，同時(shí)還可以嘗試復(fù)合填料，即多種填料共同復(fù)合，使復(fù)合導(dǎo)熱材料更有競(jìng)爭(zhēng)力；
(2)應(yīng)不斷探索新型的材料，如液態(tài)金屬，石墨烯，為散熱設(shè)計(jì)提供新的選擇；
(3)著重改善導(dǎo)熱填料和基體間的界面結(jié)合和導(dǎo)熱性能，增強(qiáng)兩者間的兼容性，從而優(yōu)化復(fù)合材料的綜合導(dǎo)熱性能。
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