隨著以高頻、高速為特征的5G時代的到來和5G技術的日臻成熟，智能穿戴、無人駕駛汽車、VR/AR等各類無線移動終端設備、5G通信基站等正在得到大力地發展，其日益提升的散熱需求對熱界面材料要求也在不斷提高。一方面電子技術的最新發展為熱界面材料開拓了全新的應用領域，成為電子散熱工程中不可或缺的重要材料；另一方面，電子產品的持續更新升級對產業鏈上相關的熱界面材料提出了全新的性能要求和技術挑戰。目前市場上常見的熱界面材料有導熱硅凝膠、導熱墊片、導熱硅脂、導熱膠粘劑、導熱膠帶、相變化材料、焊接材料和碳基導熱界面材料等，其中導熱凝膠具有較高的導熱系數和較低的壓縮變形應力，容易操作，可實現應用時的可連續性自動化生產，因此逐漸受到重點關注。

導熱凝膠的組成和特點

導熱凝膠是一種凝膠狀態的導熱材料，通過把有機硅凝膠和導熱填料復合在一起形成的一種具有導熱性能的有機硅凝膠。其狀態為“固液共存型”的特殊有機硅橡膠（直鏈狀聚有機硅氧烷），由Si-O-Si鍵組成聚硅氧烷分子中的主鏈，其主要特性有：

（1）具有物理化學性質穩定，基本不受溫度影響；

（2）能與大多數常見電子器件或其他材料的表面起到物理黏附，且固化過程中無副產物產生，無收縮；

（3）具備較好的自流平性，方便流入電路中微型組件間的細微之處；

（4）針對不同應用場景，可靈活調整凝膠的硬度、流動性、固化時間等性能，也可添加功能性填料，制備具有阻燃性、導電性或導熱性的硅凝膠；

（5）自修復能力良好，受外力開裂后，具有自動愈合的能力，同時起到防水、防潮和防銹等作用等性能特點。

與其他常見熱界面材料相比，它能解決導熱硅脂性能可靠性差的問題，起到導熱墊片的作用，且在某些性能方面，更優于導熱墊片。

典型熱界面材料的特點和優缺點

導熱硅凝膠和導熱墊片的比較

導熱硅凝膠的性能提升方向

近幾年，對導熱硅凝膠的研究主要集中在如何提高導熱性能，以及在保持足夠導熱性能的基礎上，如何做到減少或避免滲油問題，增加在被貼基材上的密著力性能，以及在硬度、電氣強度等方面的研究。

一、 導熱性能的提升

硅橡膠材料本身是熱絕緣體，通常通過兩種方法來提高其導熱性能：（1）改善硅橡膠的本征導熱系數。如提高結晶度，利用聲子在晶格中的傳播導熱。但該方法復雜、成本高，難以實現大規模的工業化生產。（2）在硅橡膠中加入具有較高導熱系數的導熱填料如氮化鋁、氮化硼和碳納米管等，制備填充型導熱復合材料。該方法因易于加工成型和低成本而被廣泛應用。

目前按照是否可導電，導熱硅橡膠中使用的導熱填料可分為導電型導熱填料和絕緣型導熱填料。導電型導熱填料包括鎳、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。而絕緣型導熱填料主要是金屬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。

導熱填料的類型及應用可詳見往期文章：

1.無機導熱填料在導熱絕緣高分子材料中的應用

2.除了常規填料外，還有哪些特別的導熱絕緣粒子？

3."導電膠"與"導熱膠"有啥不同？

4.導熱金屬粉填料的類型及應用

二、滲油性改善

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。

不同交聯密度導熱硅凝膠的示意圖

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，隨著導熱填料的不斷增加，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填料，其滲油率相對更低，另外通過改性后使導熱填料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。

三、密著力性能改善

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、導熱填料與基體的質量比等來改善導熱凝膠的密著力。

總結

目前，導熱硅凝膠僅限于有機硅基體與常見的導熱粉體的共混復合，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、導熱粉體以及本體和導熱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，對導熱填料進行表面功能化，基體和導熱填料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。

參考來源：

1.導熱硅凝膠的研究與應用進展，陳維斌（中國膠粘劑）；

2.新型導熱凝膠材料在5G電子設備中的應用，趙志壘（數碼設計）。

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