碳系填料用于聚合物基導熱復合材料，如何實現絕緣？

發布時間 | 2025-01-06 11:56 分類 | 粉體加工技術點擊量 | 526

石墨氧化鎂石墨烯氮化硼氧化硅氧化鋁

導讀：相比陶瓷填料，碳系填料擁有更高的導熱系數，能夠大幅提升聚合物基復合導熱材料的導熱性能，但由于其具備一定的電導率，限制了其在一些需要高絕緣性場景的應用。目前可通過對其進行適當的絕緣處...

填充型聚合物基導熱材料在聚合物基體中填充高導熱填料，具有輕量化、易加工性、成本低廉等優勢，在電子元器件中作為導熱界面被廣泛使用。不過隨著摩爾定律的發展，電子元器件尺寸越來越小，結構越來越復雜，超高的熱流密度也逐漸成為限制電子技術突破的瓶頸，因此對導熱材料的性能也提出了更高的要求。

為了確保電路的可靠性和安全性，應用于電子元器件的填充型聚合物基導熱材料往往采用絕緣性能較好的陶瓷粉體作為導熱填料，但由于陶瓷填料的熱導率相對較低，對于電子元器件散熱性能的提升有限。而碳系填料因輕質、導熱系數高等優點吸引了人們的關注，不過由于大多數碳系填料（如石墨、碳納米管、石墨烯等）本身具有一定的電導性，應用于電子器件中必須對碳系填料進行適當的絕緣處理或者通過微觀雜化結構的合理設計，提高導熱材料的絕緣性能。

一、填料表面絕緣處理

1、聚合物封裝

碳系材料的導熱載體既可以是聲子，也可以為電子，即使切斷碳系材料中電子的熱傳導途徑，聲子仍可發揮導熱載體的主導作用，其導熱性能不會發生明顯衰減。因此，這為碳系材料在絕緣導熱領域的應用奠定了良好的理論基礎。

多巴胺（DA）是一種與粘附蛋白類似的生物分子，在弱堿性條件下，易于氧化自聚合并在基底材料上形成具有粘附性的聚多巴胺（PDA）涂層。基于此獨特性質，可以利用 DA 封裝碳系填料，形成絕緣 PDA 涂層，該PDA填料能夠在抑制電傳導的同時，還可改善雜化填料的界面相容性，提升填料分散效果。之后再通過無機鹽模板法和溶液浸漬法等，在聚合物基體內部構建三維互連石墨烯網絡，由于PDA 涂層沒有影響碳系材料的晶格結構和聲子傳熱途徑，因此仍能夠保證復合導熱材料具有較好的導熱性能。

2、陶瓷涂層處理

氧化鎂（MgO）、二氧化硅（SiO2）和氧化鋁（Al2O3）等陶瓷材料本身是一類具備較好導熱性能的絕緣材料，因此在碳系填料表面進行陶瓷涂層處理也可保持碳系填料的高導熱系數，同時實現其具有良好的絕緣性能，這也是絕緣導熱填料表面處理的常用方法之一。不過由于兩者之間的界面相容性差異，該技術難點在于如何在碳系填料的表面形成穩定和均勻分布的陶瓷絕緣層。

3、氟化處理

氟化技術是修飾和控制碳材料物理化學性質最有效的方法之一，其能夠顯著地改善碳材料的表面極性、電導性、吸附能力和電容性性能。通常，氟化的碳系填料性能隨分子結構中的C/F原子的比值而異，比如禁帶寬度隨 F/C 摩爾比的增加而增加，氟化程度越高的碳系材料，其絕緣性能越好，完全氟化的碳系填料是絕緣體。因此，通過調節碳系填料的氟化程度，可以控制其絕緣性能。

典型氟化碳材料

不過，目前碳系材料主要采用氟氣與碳系材料在一定溫度下進行氟化，不僅可能會發生氣體泄漏而污染環境，還存在爆炸風險，需要注意密封、安全等方面的問題，且對生產設備要求較高。

二、空間結構及分布控制

1、微觀雜化結構控制

碳系填料除了可利用陶瓷材料做涂層處理，也可將其與碳系填料混合，通過微觀雜化結構（如片狀堆疊和橋接、混合骨架和串聯結構等）的合理設計，實現復合材料具有良好的絕緣導熱性能。

例如Tian 等利用化學氣相沉積技術，在氮化硼納米片（BNNS）表面原位生長 CNT，形成具有串聯結構的 BNNS-CNT 絕緣導熱填料，應用于聚合物基體中既有效抑制了電滲流網絡的形成，提升了電絕緣性能，同時也擁有良好的導熱性能。

2、宏觀疊層結構控制

由于微觀雜化結構控制的技術難度較大，宏觀疊層結構控制的方法引起了人們的關注，該技術以陶瓷材料等作為絕緣層填料，以碳材料作為導熱層填料，通過在宏觀層次上交替排列導熱層和絕緣層，并合理設計調節導熱層/絕緣層的厚度比，也能夠實現填充型聚合物基導熱復合材料的絕緣導熱特性。

3、可控選擇性分布

通過控制聚合物或導熱/絕緣填料在空間上的選擇性分布，有效控制其導電和導熱路徑，可以實現復合材料絕緣導熱兼容性能設計。

例如，Zhang 等以磷酸鹽玻璃（Pglass）作為 CNT 的約束域，制備CNT-Pglass 導熱功能填料；使其選擇性分布于填充了氮化硼（BN）的PP 基體中，制備 CNT-Pglass/BN-PP 絕緣導熱復合材料。研究表明，導電 CNT被約束在分散的 Pglass 域中，無法形成連續的導電網絡結構，而 CNT-Pglass 相可以通過與 BN 橋接在 PP 基體中形成導熱網絡。在 3.5 wt%CNT和 9 wt% BN 的負載下，CNT-Pglass/BN-PP 復合材料導熱系數為 0.9 W/(m·K），電導率小于6×10^?5S/m。因此，利用 Pglass 約束域可以實現對功能填料的選擇性分布進行有效控制。