（文章來源：粉體圈）

高分子聚合物一直以來都是材料科學的寵兒，它們絕緣、柔韌、可塑、有適當的粘度、冷熱循環穩定性好、使用方便等，在許多領域都有應用。但在對導熱性能要求較高的領域，如電子器件熱管理領域，聚合物的大毛病“熱傳導率低”就是一個大問題了。

為了補足這個短板，可以通過添加填料以改變其導熱性能，由此加工成具有較好力學性能的導熱聚合物復合材料。最終這些復合材料就可用于幫助改善電子產品的散熱性能，防止電子產品過熱，從而使得電子產品能夠具有更好的運行表現和更長的壽命。

由于過熱而損壞的芯片

但事情并沒有那么簡單，加什么，怎么加，聚合物本身要不要改進一下，這些答案都需要經過大量的實驗去驗證。雖然針對不同的應用，部分加工的方式會有所不同，但大體可分為以下四部分：

1.提高聚合物基體的導熱性能

雖然影響聚合物基體導熱性能的因素很多，包括溫度、密度、極性基團及其偶極化程度、材料聚集態結構及分子取向效應等，但大量研究發現，材料結晶度及分子鏈取向對材料熱導率的影響很大。

對于結晶聚合物，其熱導率主要取決于聚合物的結晶性和分子鏈取向，即聲子的散射程度。若聚合物鏈結構是有序的，則熱量將沿著分子鏈方向得到快速、有效地傳遞，該方向的導熱性能則遠優于其他方向。

因此為提高聚合物基體的導熱性能，可通過化學合成制備具有有序化結構的聚合物并且提高聚合物結晶度以減少聲子散射。某學者在《自然-納米技術》上的研究成果稱，他們通過電聚合過程使聚合物纖維排成整齊陣列，形成一種新型熱界面材料，導熱性能在原有基礎上提高了20倍。除了拉伸技術外，超聲場、電磁場等也會對聚合物的結晶性能和結構產生影響，從而影響材料的導熱性能。

除此之外，生物界中的一些現象可以對人們開發具有高導熱性能的聚合物材料產生一定的啟發作用。比如說固定蜘蛛網的拖牽線，科學家發現其熱導率超過一些熱的良導體包括鋁、純鐵等材料的熱導率。

進一步研究發現，這些蜘蛛網內部具有完美的分子結構，包含具有納米晶的蛋白質及連接蛋白質分子的彈簧結構等，是目前研究者發現的具有最高熱導率的有機組織。此外，當這些蜘蛛網被拉伸時，其導熱性能也會有一定程度的提高。

自然界帶來的啟發

2.填充高導熱填料

采用高導熱填料是提高聚合物基導熱材料導熱性能最常用的方法之一，聚合物基高導熱材料中使用的高導熱填料主要包括金屬、無機非金屬、纖維等。填料種類、填充量、填料幾何參數、填充方式等都會對材料熱導率產生很大影響。

目前常用的絕緣型導熱塑料的填料主要包括：金屬氧化物如BeO、MgO、Al2O3、CaO、NiO；金屬氮化物如AlN、BN等；碳化物如SiC、B4C。等。它們有較高的導熱系數，且更為重要的是同金屬粉相比有優異的電絕緣性，因此，它們能保證最終制品具有良好的電絕緣性，這在電子電器工業中是至關重要的。

從目前的研究結果來看，在基體中構建導熱通道成為提高聚合物基高導熱材料導熱性能的技術關鍵。導熱填料在聚合物基體中的緊密堆積，易于在材料內部形成導熱通道。采用不同粒徑、不同形狀的導熱填料和不同種類的導熱填料復配填充，不僅可以發揮各種填料的特點，提高材料的熱導率，還可以降低成本。

以片型BN搭配球形的h-BN團聚體可促進導熱網絡形成（圖片來源：Saint-Gobain）

3.改善填料與聚合物基體間的界面結合狀態

研究表明，當填料與聚合物基體熱導率比大于100后，即使再增大填料的熱導率，對提高材料導熱性能的貢獻也大大減小坦。雖然目前尚不能給出此現象的確切解釋，但初步認為填料與基體界面處存在界面相、氣孔等缺陷，界面結合狀態不佳。

聲子在界面處散射嚴重，阻礙材料導熱性能的提高。因此改善填料與基體的界面結合，減少聲子在界面和缺陷處的散射，是提高復合材料熱導率的另一種重要途徑。

由于基體與填料的物理、化學性質存在很大差異，兩者相互接觸形成的界面較弱，很容易產生缺陷。為改善基體與填料間的界面，最常用的方法包含物理改性法和化學改性法。

①物理改性法是指不使用表面改性劑對填料表面進行改性的方法，包含電磁波、射線粒子輻照、超聲、電化學處理、等離子體處理等，如對填料進行輻照能改變填料表面的電荷性質及結構，表面會產生空穴、缺陷等，改變表面能量狀態，從而改變填料的表面潤濕性。

②化學改性法包括表面包覆修飾及表面化學修飾。其中表面包覆修飾還包含固相包覆法、液相包覆法和微膠囊法。表面化學修飾則是利用各種表面處理劑對填料表面進行改性的方法，主要使用的處理劑有有機單體、有機低聚物、表面活性劑及偶聯劑等四類。其中，有機硅烷偶聯劑是最常使用的表面處理劑，它能夠改變填料表面的親水親油性，使其與基體間能結合得更好。

另外除了對填料進行表面功能化處理外，也可以通過水熱法、溶膠凝膠法、電化學沉積等對填料表面進行包覆，在基體與填料之間引入第三相，改變基體與填料間的界面結構，從而改善材料導熱性能。

MWCNT包覆SiO2/EP復合材料結構示意圖

4.選擇合適的材料成型工藝

為了使填料在聚合物基體內部形成導熱網絡，獲得具有較高熱導率的導熱材料，還需充分考慮材料的成型加工工藝過程。目前有以下幾種方式可實現導熱網絡。

①通過材料制備工藝改變填料分布

填料在基體中的分布及導熱通道的構建對于材料熱導率有顯著影響，因此可在材料加工過程中，通過控制工藝，使得填料粒子按預定方向排列，可獲得單一方向的高熱導率。Zhang等在螺桿擠出機末端采用一種新型模具（LME）對將未經表面改性的BN顆粒與PE共混擠出后分別經過不同階段的拉伸擠出，發現經過多次拉伸擠出的產物中BN顆粒在基體中分散更加均勻，利于導熱通道的構建，材料熱導率明顯提高，體系的復合黏度、儲能模量以及材料的拉伸及沖擊強度均得到提高。

②電場、磁場等輔助加工技術

介電泳是介電常數較低的物體在非均勻強電場中的受力現象，即中性物質因為在非均勻強場中受到極化作用而產生運動的現象。被不同程度極化的顆粒可在不均勻電場中產生側向運動，傾向于沿著外加電場方向排列。因此，對導熱顆粒聚合物混合液施加不同頻率和強度的電場，可改變顆粒在聚合物基體中的排列和分布，從而得到在某方向具有較高熱導率的復合材料。

同電場一樣，磁場作用也可以使得填充顆粒獲得一定取向，從而提高材料在取向方向上的熱導率。因為BN的磁性較弱，為增強BN顆粒的磁性，通常在其表面沉積氧化鐵納米粒子，利用其與磁場的相互作用使得顆粒在磁場作用下發生取向。