高导热材料的研究进展
摘耍：自二十世纪八九十年代以来，材料的导热性能越来越为产品研发人员所看重，尤其对于航空航天、汽车制造和电子电器等领域， 优异的散热性能更是必不可少.根据导热材料成分的不同，可以将其分为三类导热材料，分别是聚合物基、金属基和陶瓷导热材料.本文详细概述了上述三类材料时最新研究进展，总结其优势和不足之处，并提出展望以期使高导热材料能够得到快速发展并广泛应用。
关键词：导热材料；热导率；聚合物基；金属基；陶瓷
1. 引言
小型化，轻薄化的设计是当前电子产品的主流，这对产品的热设计带来了巨大考验。有研究显示电子元器件温度每升高2度，其可靠性会下降10% 在50度温度下，寿命会缩减到室温时的六分之一。因此，温度一直是制约新技术发展的重要原因之一。此外，军事武器和航天飞船等高精尖领域也对热管理提出了更为严格的要求和目标。目前，关于高导热材料的研究较多。部分高分子聚合物以及含有导热填料的高分子聚合物有十分优秀的理论数值，主要作为仪表等电器的密封材料。此外，少量陶瓷材料已在机器外壳，电路基板上得到了实际运用。但开发导热性能更加优异的材料仍任重而道远。相关高性能导热材料的开发将会促进诸多领域的快速发展，比如航空航天、超级计算机、大规模集成电路以及电子行业等。基于此，本文对三类有重要研究价值的导热材料进行了较为全面地概括。
2. 研究内容
目前，研究的高导热材料种类繁多，根据材料种类可以分为以下三大类，分别是：聚合物基导热材料、金属基导热材料和陶瓷导热材料。这三类材料都有自身独特的优势和用途，下面分别对它们做详细的介绍。
(1)聚合物基导热材料
聚合物即指高分子聚合物，其分子量一般在一万以上， 是目前应用最广泛的材料之一，其具有良好的可塑性和绝缘性能，对界面材料无腐蚀，价格较低等诸多优点，但它们大多是热的不良导体。在电子电器行业，高聚物是绝佳的屏蔽涂层、绝缘层、散热介质和减震材料，性质非常优异，但是其较低的导热系数严重限制其大规模应用，因此聚合物基导热材料应运而生。其研究思路主要是通过在聚合物基体中复合一些高导热材料来提高其综合导热性能。比如，Dang等人采用浇注成型的方法制备了SiC颗粒-Sic晶须增强的双马来酰亚胺树脂复合材料，结果表明SiC颗粒和SiC晶须比例为1:3的时候有最佳的增强性能，在填料含量为40wt%有最佳的导热性能，热导率从0. 228W/(m • K)增加到1. 125W/(m • K)。Xu等采用熔融共混法制备了SiC-BN增强的聚氨酯复合材料，实验结果表明经过复合之后其热导率有显著增加，在2%SiC-18%BN时具有最佳的热导率0. 95W/(m • K),是纯聚氨酯的5倍，作者认为主要是由于SiC的加入能够起到桥接作用，使复合材料的热导率显示出最佳的热学性能。Zhang等人用补强型酚醛树脂对氮化铝进行表面改性，当酚醛树脂与氮化铝质量比为1:4时与三元乙丙橡胶复合，结果表明复合材料导热率相比未改性时提高了44%,作者认为改性提高了氮化铝的抗水解力，防止了氮化铝变性。Li等系统的研究球形氧化铝为导热增强剂复合聚氨酯材料，通过对导热填料的表面改性和比例调控，使其热导率得到显著提高，优化后其导热系数达到2. 51W/(m • K) 。
⑵金属基导热材料
金属是目前应用广泛的导热材料之一，其优点在于强度高、耐磨性好、易加工和实现规模生产等。虽然其具有较高的热导率，但是面对服役条件越来越苛刻的要求，其导热性能仍然有待进一步提高。目前主要通过复合技术来优化其热导率，增强方式主要有纤维增强和颗粒增强两大类，其中又以颗粒增强为主。在诸多金属材料中，铝具有本征热导率高、来源广泛、成型性能好和密度低等诸多优点，因此是目前最受研究者重视的金属基体，据统计本领域90%以上的研究与铝有关。例如，Xiu等人采用真空热压法制得了颗粒直径为200 um的金刚石-铝复合材料，结果表明经过金刚石复合处理后，材料的热导率得到显著提升，其最佳热导率达到475W/(m • K)。Liu等用无压浸渗法制得了低成本的金刚石铝复合材料，其中金刚石粒径约为100um,复合材料的热导率为298W/(m-K),研究表明在一定范围内粒径越大，导热性越好。此外，碳纳米管作为一种新型材料，其具有超高的热导率，被誉为电子行业的救星，多壁碳纳米管的热导率高达3000W/(m•K),Nie等人用磁力搅拌和放电等离子烧结法制备了铝-碳纳米管复合材料，但其最大热导率仅172W/(m•K),原因是碳纳米管与金属形貌和尺度上的差异大，表面化学性质相容性差，严重降低了导热性能，说明将碳纳米管作为增强体技术仍不成熟，需要进一步改善其表面性质，协调两者的兼容性。
(3)陶瓷导热材料
陶瓷拥有常见工程材料中最高的硬度、耐高压和耐高温等诸多优点。其中，氮化铝、氮化硅和氧化错等陶瓷具有优异的导热性能，目前已在诸多领域得到了广泛应用，拥有替代金属的潜力。虽然陶瓷材料的本征热导率高，但是其制备和可加工性能较差，因此严重限制了其大规模应用。此外，陶瓷材料难以大尺寸制备，而且成本较高，因此目前的研究工作主要集中于改善其制备条件和烧结工艺。例如，Zhang等以Ti02-Mg0作为烧结助剂，采用无压烧结的方法制备了氮化硅陶瓷，结果表明该陶瓷具有较高的热导率，其室温导热率为81W/(m•K),而且该方法还具有成本较低的优势。Zhan等通过添加硝酸钙和硝酸锂为烧结助剂，采用无压烧结法制备了A1N陶瓷，结果表明烧结助剂的添加有利于A1N陶瓷的快速致密化，而且其抗拉强度和热导率都得到了显著的提升，其热导率为136.7W/(m-K)„Lee等研究了MgO-CaO-Al2O3-SiO2作为烧结助剂对A1N陶瓷烧结的影响，结果表明该助烧剂是一种性质优异的材料，经过少量添加(lwt%)即可在较低烧结温度下使A1N陶瓷快速致密化，其导热率为84W/(m-K)o由此可见，寻找不同的烧结助剂一直是陶瓷烧结领域研究的核心思路，但是目前的技术成本依然较高，离大规模生产制备仍有一段距离。
3.结论与展望
从上述大量研究可以看出：
(1)聚合物基导热材料具有最好的发展前景，相关研究非常全面，应用范围也很广，部分复合材料的导热性能已经达到了原材料的十倍以上；
(2)金属本身以自由电子作为热的主要载体，导热性能在三者中最好，通过填料的增强，铝的复合材料导热率已超过纯铜，为导热金属提供了新的选择；
(3)陶瓷导热材料亦在不断更新优化，越来越多的产品开始采用陶瓷基板。然而，导热材料仍存在诸多缺点。聚合物基的复合材料导热率相对仍然偏低，但它能填补细小空隙，建立热传导通道，尚不能广泛替代其作用的材料出现。
陶瓷导热材料普遍成本较高，适用范围窄。对此，我们提出如下展望：
(1)目前填料的发展趋势是轻量化，超细化，多样化，低成本化，同时还可以尝试复合填料，即多种填料共同复合，使复合导热材料更有竞争力；
(2)应不断探索新型的材料，如液态金属，石墨烯，为散热设计提供新的选择；
(3)着重改善导热填料和基体间的界面结合和导热性能，增强两者间的兼容性，从而优化复合材料的综合导热性能。
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