随着微电子高密度组装技术和集成技术的迅猛发展，电子元器件、逻辑电路体积成千上万倍地缩小，使得电子设备产生的热量也急剧增加，为使电子元器件能够持续、可靠地正常工作，高散热性能的导热绝缘材料就成了电子设备热设计中必不可少的关键环节。

高分子材料绝缘性好、质轻、耐化学腐蚀、易加工成型，因此很适合在电子领域中，但麻烦的是它是热的不良导体，必须要往里面填充高导热的填料，才能提高其导热系数。

复合材料导热机理

对于复合材料，主要依赖高分子材料基体与填料及填料之间的协同进行热量传导。由于高分子材料本身导热系数较低，填料粒子的导热系数及填料粒子间的相互协同共同控制着复合材料的导热系数。当复合材料填料的填充体积分数较少时，填料被橡胶基体所包裹，填料颗粒之间相对距离较大，填料在集体中近似孤岛形式，热量在传递过程中需要经过“基体—填料—基体—填料—基体”等类似路径，热量传递过程热阻较大，因此导热系数一般较低。

但随着填料填充体积分数增大，填料之间的距离会逐渐缩小甚至相互接触，填料与填料的协同作用增强形成网链状的导热通道；当填充体积分数再次增大，导热网链相连结和贯穿，热量更容易从高温端流向低温端，复合材料的导热性能显著提高。不过要注意，填料使用量过大也会使得物性降低，而且还增加材料的制作成本。

填料离散和填料互相接触的对比示意图

填料种类对复合材料性能的影响

常用的导热材料一般可分为金属材料和无机非金属材料（包括氧化物、氮化物和碳材料等），部分常用的填料如下：

①金属填料：常用的金属导热填料有铝、铁、铜、锡、银等。王亮亮等人研究了铝粉填充聚丙烯复合材料，发现铝粉填充体积分数达到30%时，复合材料的热导率为3.58W/（mK）'，但复合材料力学性能下降明显，尤其在高填充条件下。

②陶瓷填料：陶瓷填料是目前在导热绝缘高分子复合材料中应用最为广泛的导热填料。常用的无机导热填料主要有氧化物：Al2O3、ZnO、MgO、SiO2和BeO；氮化物：AlN、BN和Si3N4；碳化物：SiC等。将这些无机陶瓷填料填充到橡胶基质中，可以制取具有良好综合性能的导热绝缘材料，其中氮化物的填充效果要明显优于氧化物的填充效果，这是因为其本身的导热系数比较高。

③碳基填料：包括炭黑、石墨及碳纤维等，它们兼具了高导热性和低密度的两大优势。其中一些碳纤维的导热系数可达1200W/(m·K)，将它们填充到橡胶中可以制备导热非绝缘橡胶。除此之外还有碳纳米管、纳米石墨片、石墨烯以及氧化石墨烯等，但由于密度小，比表面积大易发生团聚，在投入应用前首先要解决它们在基体中的分散问题。

填料在基体内的分布

增加导热率的原理是看似不难，但如何通过合理的填料搭配来达到最好的导热效果也不是一件简单的事。据研究，导热网链的方向与热流的方向一致时，热阻最小，导热性能最好，反之则最差。因此为了获得导热性能良好的高分子材料，需要材料内部在热流方向上最大程度的形成有效的导热网链。如此一来，导热填料在基体内部的空间分布状态对材料的热导率有着至关重要的影响。

Hong等人采用高导热的AIN颗粒和针状BN作为导热填料，研究了填料粒径比例和含量配比对复合材料导热性能的影响。选择了三种粒径比例条件，如下图所示。结果显示在AIN颗粒和针状BN粒径相当的情况下对提高复合材料导热性能效果最好。

三种高分子结果示意图a：d(AIN)>d(BN)，b：d(AIN)=d(BN)，c：d(AIN)

在不同粒径配比下，复合材料导热系数随两个填料的相对含量的变化情况也是不同的。在d(AIN)>d(BN)的情况下，热导率随BN含量的增加而降低；而在d(AIN)<d(BN)条件下，影响趋势正好相反。在d(AIN)=d(BN)情况下，只有AIN和BN填充量相当时，导热系数才最高，同时这种配比条件也是最佳的填料填充方式，此时两种不同填料之间相互接触并有效的填补了间隙空间，以最大限度地提高了材料热导率，导热系数达到8.0W/mK。

采用粒径大小不同的粒子混合填充可以提高填充量

小粒子填充大粒子形成的空隙，大小粒径紧密堆积，形成更加密实的导热通路

Sanada等人些采用有限元结合实验的方法也验证了不同粒径填料混合填充效果能优于单一粒径填充。Choi等人凹将氨基表面修饰的多壁碳纳米管结合微米AIN填充环氧树脂基体，材料的导热性和导电性都随填料含量的增加而增大，长径比值大的碳纳米管搭接在微米的AIN颗粒之间，形成了三维网络导热通路，更有利于热量的传导。同时经过表面改性的填料提高了与基体之间的结合力，良好的界面结合可以减小热阻。

资料来源：

填料颗粒分散特性及混合填充复合材料导热性能研究，盖鹏新。

纳米填料和高导热高分子复合材料的制备及其性能研究，高智芳。

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