散熱和電磁兼容是直接決定電子器件工作性能和使用壽命的兩個重要因素，器件工作過程中產(chǎn)生的熱量如果無法及時傳導(dǎo)至外界環(huán)境，必然造成自身溫度的大幅度升高、工作穩(wěn)定性下降甚至燒毀，而器件間的電磁干擾則會嚴重影響設(shè)備的正常工作。傳統(tǒng)解決方法是分別使用導(dǎo)熱和電磁波吸收功能高分子復(fù)合材料，然而，電子產(chǎn)品的微型化和輕薄化使得在狹窄的空間內(nèi)將導(dǎo)熱材料與電磁波吸收材料疊加變得具有挑戰(zhàn)性。因此，設(shè)計同時提供導(dǎo)熱和電磁波吸收的集成聚合物復(fù)合材料在電子領(lǐng)域至關(guān)重要。

吸波導(dǎo)熱貼片用于解決金屬屏蔽罩內(nèi)的電磁輻射干擾和散熱問題

目前該類材料主要的研發(fā)思路是在高分子基體中同時加入導(dǎo)熱填料和吸波劑以實現(xiàn)材料的導(dǎo)熱吸波雙功能，但在實際應(yīng)用中導(dǎo)熱吸波材料的導(dǎo)熱性能與吸波性能往往存在此消彼長的矛盾。如何在電子設(shè)備有限的空間內(nèi)既有效解決電磁兼容問題，又實現(xiàn)高效的熱管理，下文一起來探討一下。

一、吸波材料導(dǎo)熱復(fù)合材料

當電磁波入射到吸波材料表面時，會出現(xiàn)三種情況：被材料表面反射、進入材料內(nèi)部被吸收或透射穿過材料。優(yōu)異的的吸波材料（電磁波吸收材料的簡稱）可以充分發(fā)揮其損耗機制使進入材料內(nèi)部的電磁波盡可能多的被損耗掉，減少電磁波的反射和透射。

傳輸?shù)轿ú牧媳砻娴碾姶挪ǚ瓷洹⑽蘸屯干涫疽鈭D如上，電磁波反射的部分并沒有與材料內(nèi)部吸波劑發(fā)生能量交換；入射進入材料的部分絕大多數(shù)會被材料中的吸波劑吸收，轉(zhuǎn)換為熱能或其它形式的能量進行損耗，而另一小部分未被消耗或衰減的電磁波則會穿透吸波材料。

電磁損耗的機制及吸波劑：

一般來說，若要實現(xiàn)電磁波的高效吸收必須滿足兩方面基本條件：1）入射電磁波最大限度地進入材料內(nèi)部而不在材料表面發(fā)生反射，即材料的匹配特性。當電磁波入射到材料表面，能否進入材料并且以多大比例進入材料內(nèi)部完全取決于材料和自由空間界面的輸入波阻抗。也就是說，只有當材料的波阻抗與自由空間的波阻抗相匹配時，入射電磁波才能較大程度地進入材料內(nèi)部；2）進入材料內(nèi)部的電磁波能迅速被吸收并衰減，即材料的衰減特性，換言之，就是要求材料具有很高的電磁損耗特性。

只有具備良好的損耗角正切和反射損耗，才能讓入射電磁波盡可能的進入吸波材料中并持續(xù)不斷被損耗，同時只有較少量電磁被材料表面反射。但是，這兩個條件之間通常是相互矛盾的，不可能同時達到最優(yōu)值，這就需要實驗設(shè)計人員盡可能的找到兩者最佳的平衡。

從填料角度考慮，具有大的寬厚比的超薄片狀磁性粒子材料具有更高的磁導(dǎo)率和共振頻率，增大寬厚比是提高其磁導(dǎo)率的有效方法。但片狀形貌會使得顆粒在基體中非常容易相互搭接形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)降低阻抗匹配性，會阻礙吸波性能進一步提高，通過包覆改性來調(diào)節(jié)材料的電阻率是一種有效手段。另外也可通過降低內(nèi)應(yīng)力、提高顆粒的磁晶各向異性、調(diào)節(jié)顆粒尺寸大小來提高磁性吸收劑的磁導(dǎo)率，改善吸波性能。

二、聚合物導(dǎo)熱復(fù)合材料

填充型聚合物導(dǎo)熱復(fù)合材料是在低導(dǎo)熱系數(shù)的聚合物基體中加入高導(dǎo)熱性能的填料，是一種廣泛應(yīng)用的熱界面材料。比于本征型導(dǎo)熱聚合物，填充型復(fù)合材料有制備工藝簡單、生產(chǎn)成本更低等特點，因此是目前的主要研究方向。它的導(dǎo)熱機理最主要分為熱傳導(dǎo)路徑理論、熱滲流理論和熱彈性系數(shù)理論三種，其中普遍廣泛認可的聚合物復(fù)合材料導(dǎo)熱機理為熱傳導(dǎo)路徑理論。

a)低填料含量形成“海島”結(jié)構(gòu)，(b)高填料含量形成熱傳導(dǎo)路徑，(c)熱滲流理論，(d)熱彈性系數(shù)理論，來源參考資料2

熱傳導(dǎo)路徑理論描述的熱傳導(dǎo)過程是依靠基體內(nèi)由導(dǎo)熱填料形成的連續(xù)通路或網(wǎng)絡(luò)而實現(xiàn)熱量傳遞，也是目前學(xué)術(shù)上廣為接受的機理。當導(dǎo)熱填料負載較低時，它們被聚合物基體相互隔離，形成“海-島”體系(上圖a)。因此，聚合物復(fù)合材料的入值并未發(fā)生顯著升高。導(dǎo)熱填料負載不斷增加，導(dǎo)熱填料開始逐漸相搭接，形成導(dǎo)熱路徑或?qū)峋W(wǎng)絡(luò)。此時，熱流將沿由高導(dǎo)熱性能的填料所構(gòu)建的路徑傳遞(上圖b)。

常見的導(dǎo)熱填料：

三、吸波導(dǎo)熱復(fù)合材料研究進展

為了改善吸波導(dǎo)熱復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能，人們進行了很多研究。目前，對吸波導(dǎo)熱復(fù)合材料的研發(fā)主要集中于吸波和導(dǎo)熱填料共混導(dǎo)熱吸波復(fù)合材料、單一雙功能填料導(dǎo)熱吸波復(fù)合材料以及三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱吸波復(fù)合材料。

1、傳統(tǒng)雙功能填料導(dǎo)熱吸波復(fù)合材料

雙功能填料導(dǎo)熱吸波材料的制備方法較為簡單、常規(guī)，而且是目前導(dǎo)熱吸波材料最為廣泛的設(shè)計制備方法。通過控制2種類型填料在基體中的配比可以制備性能良好的導(dǎo)熱吸波復(fù)合材料。

然而，聚合物基體中對填料的承載能力是有限的，增加某些功能填料的添加量可能會導(dǎo)致其他功能填料的減少，從而導(dǎo)致聚合物復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和電磁波吸收性能之間的矛盾。此外過量填料的加入將會導(dǎo)致復(fù)合材料加工難度增加，甚至可能導(dǎo)致基體干裂，無法固化成型；同時，硬度過大也可能使復(fù)合材料無法滿足實際應(yīng)用的需求。另外，導(dǎo)熱劑的加入可能會影響吸波材料原有的吸波性能，2種填料之間存在相互制約，因而所制備的導(dǎo)熱吸波復(fù)合材料2種性能普遍不高。

2、單一雙功能填料導(dǎo)熱吸波復(fù)合材料

針對傳統(tǒng)雙功能填料導(dǎo)熱吸波復(fù)合材料需要導(dǎo)熱劑與吸收劑的同時高填充，會導(dǎo)致復(fù)合材料力學(xué)性能大幅下降等問題，研究者希望開發(fā)出一種單一的兼具導(dǎo)熱、吸波雙功能的粉體材料應(yīng)用于導(dǎo)熱吸波復(fù)合材料的制備。

Lin等采用氧化鐵對h-BN表面進行改性，通過磁場對復(fù)合填料進行垂直取向處理，導(dǎo)熱系數(shù)相較于未取向排列時提高104%，且具有一定的電磁吸收性能。

磁顆粒改性h-BN復(fù)合材料制備示意

另有研究者從核殼結(jié)構(gòu)材料角度出發(fā)考慮，利用核殼結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)特性，可以將不同功能的材料進行復(fù)合，使不同的材料相互調(diào)節(jié)，取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，從而使得可以添加單一功能粉體實現(xiàn)材料雙功能共同提升，可以從根本上解決目前導(dǎo)熱吸波材料制備過程中由于功能粉體填料添加比例受限，導(dǎo)熱、吸波2種性能提升相互抑制以及不同種類填料在基體中難以均勻分布的問題。

相關(guān)案例：

顧軍渭團隊發(fā)布的論文“繡球花狀CoNi@BN異質(zhì)結(jié)構(gòu)填料賦予聚二甲基硅氧烷復(fù)合材料優(yōu)異的低頻微波吸收和高熱導(dǎo)率”中，采用“噴霧干燥-燒結(jié)”工藝將鏈狀CoNi和片狀BN自組裝為繡球花狀CoNi@BN異質(zhì)結(jié)構(gòu)填料，充分發(fā)揮其多尺度多界面特性，既有利于高導(dǎo)熱組分互相搭接形成高效的聲子傳導(dǎo)通路，又助于吸波組分構(gòu)成彼此隔離的電磁波損耗網(wǎng)絡(luò)。再將CoNi@BN與聚二甲基硅氧烷（PDMS）復(fù)合制備低頻吸波/導(dǎo)熱一體化CoNi@BN/PDMS復(fù)合材料。

論文地址：https://doi.org/10.1002/adma.202410186

3、三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱吸波復(fù)合材料

聚合物復(fù)合材料熱導(dǎo)率的提高依賴于熱傳導(dǎo)路徑和網(wǎng)絡(luò)的形成，這需要熱導(dǎo)性填料在聚合物基體中重疊，并且復(fù)合材料中需要少量缺陷。然而，聚合物復(fù)合材料對電磁波吸收性能的提高取決于散射效應(yīng)、電磁耦合損耗、極化損耗等因素，這需要足夠分散和隔離電磁波吸收填料在聚合物基體中，并且復(fù)合材料中需要適度的缺陷。這些因素在熱傳導(dǎo)特性和電磁波吸收特性之間造成了設(shè)計上的矛盾。

通過構(gòu)建導(dǎo)熱三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)骨架，并將吸波劑分散沉積到骨架之上并浸潤聚合物基體得到復(fù)合材料，理論上可以解決設(shè)計上的矛盾。

DeulKim等在h-BN/聚酰胺酸(PAA)復(fù)合材料中通過非溶劑(鄰苯二甲酸二丁酯)的熱誘導(dǎo)相分離制備了柔性三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的hBN泡沫板(h-BN含量高達80wt%)，如下圖所示，高負載下的連續(xù)h-BN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供了增強的導(dǎo)熱性和阻燃性，進一步地向h-BN泡沫板中滲入氧化鐵(Fe3O4)納米顆粒，使得復(fù)合材料兼具導(dǎo)熱與吸波雙功能，拓寬了它們在電子設(shè)備中的應(yīng)用范圍。

柔性三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的h-BN泡沫板形成示意

特殊的三維結(jié)構(gòu)，會使得電磁波進入材料內(nèi)部之后能夠發(fā)生多次反射，延長了其散射路徑，而且導(dǎo)熱填料和吸波劑之間的界面能夠增強界面極化，進而增強復(fù)合材料的電磁波吸收能力。但這種制備方法存在工藝復(fù)雜、產(chǎn)量低、設(shè)計理論尚不明確等問題。

參考資料：

[1]張德印,路天宇,張嘉迅,等.聚合物基吸波導(dǎo)熱復(fù)合材料的研究進展[J/OL].復(fù)合材料學(xué)報，2024

[2]周建偉.基于構(gòu)筑熱傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)制備高導(dǎo)熱復(fù)合材料[D].北京化工大學(xué),2023

[3]王孟奇,李維,崔正明,等.導(dǎo)熱吸波材料研究進展[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2023

[4]《Advanced Materials》發(fā)表顧軍渭團隊低頻吸波/導(dǎo)熱一體化復(fù)合材料的研究成果

編輯整理：粉體圈Alpha