隨著電子技術的快速發展，對高性能散熱材料的需求日益增加。聚合物由于其輕質、易加工等優點被廣泛應用于這些領域，但其固有的低導熱性限制了其進一步的應用，通常需要通過在聚合物基體中添加導熱填料，提升其熱導性。作為當前認可度最高的一種聚合物材料導熱理論，導熱通路理論認為導熱路徑的形成是由于聚合物基體中填料相互接觸而連接，熱流可以沿著填料形成的導熱路徑或網絡傳遞，可以減少基體與填料之間的接觸面積，因此具有各向異性的一維填料（纖維狀、管狀、線狀等）和二維填料（片狀）分別由于大長徑比和大縱橫比在構筑導熱網絡上有明顯優勢。不過，到底誰更具優勢，本篇文章我們從導熱網絡的構筑方式出發，進行進一步探討~

一、導熱網絡的構筑方式

通常，一維、二維導熱填料在聚合物基體中可通過隨機排列的方式構筑導熱網絡，也可利用外力使導熱填料發生取向，形成有序的導熱網絡。

1、隨機排列

即導熱填料在聚合物基體中以無序的方式分布。這種導熱網絡形成的關鍵在于要求填料與基體之間要有良好的相容性，以實現均勻的分散，之后通過簡單的機械攪拌、超聲分散等方法即可實現，不需要復雜的設備或工藝，適合大規模生產。但由于填料無序分布，可能導致熱量傳遞路徑不夠連續，為了獲得足夠的導熱效果，往往需要較高的填充量或采用多種形貌填料復配的策略，使復合材料的導熱路徑更加完整。這種填料排列方式所制備的導熱復合材料往往用于對于一些對導熱性能要求不太嚴格的應用。

隨機排列導熱網絡的形成

2、定向排列

定向排列是指利用機械力、電場、磁場等外力使導熱填料在聚合物基體中沿著某一方向有規則地排列形成連續的導熱通道，構筑高度有序的導熱路徑。通常，具有定向排列導熱網絡的導熱復合材料具有各向異性，可在較少填料填充量的情況下就能實現高導熱性能。不過，由于需要特殊設備和技術來實現定向排列，制造難度較大、成本較高，同時也會犧牲非排列方向上的導熱性能和力學性能上，使材料在受到應力時，出現局部應力集中和易損性增加的現象。應力分布不均。目前該種排列方式的導熱材料常用于需要高效散熱的高性能電子器件，

通過磁場進行調控六方氮化硼納米片取向排列

二、二維和一維導熱填料在構筑導熱網絡上的對比

1、二維片狀導熱填料

在隨機排列的情況下，二維片狀導熱填料通常具有較大的比表面積，能與其他填料之間形成較多的接觸點，有助于構筑導熱通路，但由于其扁平的形狀，片狀填料傾向于自然地堆疊或平行排列，這種結構有助于在平面方向上形成連續的導熱路徑，從而提高整體材料的導熱性能，但也導致部分區域填料過于密集，而其他區域則缺乏有效的導熱通路，導熱均勻性明顯降低，因此常常與其他形貌填料復配。

片狀填料搭配球形填料形成的導熱通路

在取向排列的情況下，二維片狀填料主要利用片狀填料相互搭接，當這它們在聚合物基體中排列良好時，可實現在平面內構建起高效的導熱網絡，尤其是一些具有特殊的晶型結構的二維導熱填料如石墨烯、片狀氮化硼等，由于其明顯的各向異性，平面橫向尺寸越大，晶格缺陷和界面越少，越有助于減少聲子在傳導過程中的散射，可利用其定向排列在平面方向上得到極高的導熱系數。不過由于片狀填料平面與聚合物基體之間存在較大的熱阻，該種導熱復合材料在厚度方向上的導熱性能較差。

圖源網絡

*石墨烯和六方氮化硼片狀填料都為典型層狀蜂窩晶格結構，晶體微粒具有遠程有序性，且層內的共價鍵強度高，使得聲子在層內的傳播速度較快，同時聲子的散射小，然而，由于層間以范德華力連接，作用力較弱，聲子在層間的傳播受到限制，因此它們的導熱性能具有各向異性，內部導熱路徑主要依靠面內導熱。

2、一維導熱填料

一維導熱填料主要包括管狀、纖維狀、線狀等形貌的填料，它們具有較大的長徑比，與聚合物基體共混形成隨機排列的導熱網絡結構后，整個復合材料體系可以相互牽纏在一起，不僅使得復合材料在受沖擊時不容易斷裂，而且能夠在與其他維度填料復配時，更好地嵌入其他填料的間隙之間形成“橋接”的傳熱通道，可構建出一個更加復雜的三維網絡結構，有助于減少填料的填充量，不過這也導致了其在基料中的流動性較差，不易分散，且加工性能較差。

一/二維導熱填料分別與球形填料復配形成的導熱路徑

在構筑定向排列的導熱網絡上，一維導熱填料主要是采取頭尾相接的方式形成連續的導熱通道，可以顯著提高軸向方向上的導熱性能，但由于其細長形態，單位體積內的接觸面積相對較小，導致界面熱阻較高，影響了整體導熱性能。

垂直取向的碳纖維

目前常用的以為導熱填料有碳納米管、六方氮化硼納米管、碳纖維、碳化硅晶須等：

①碳納米管：碳納米管是由石墨原子單層或多層繞成的同軸中空無縫管狀物，其管壁大都是由六邊形碳原子網格組成，分為單壁碳納米管和多壁碳納米管，導熱性能具有各向異性，其軸向熱導率高達3000W/mK以上，在復合材料中少量添加就可明顯改善熱導率，但其作為碳材料，具有一定的導電性，不適用于絕緣場合中。

②六方氮化硼納米管：BNNT是一種結構類似于碳納米管的一維納米結構材料，可以看做是碳納米管中的碳原子被硼和氮原子交替取代的產物，由單層或多層六方氮化硼（h-BN）卷曲而成，最終形成一維結構的單壁或多壁氮化硼納米管，其軸向熱導率可達600W/mK。相比碳納米管，其具有良好的電絕緣性。

碳納米管和氮化硼納米管的結構示意圖

③碳纖維：碳纖維是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料，普遍具有質輕、高強度、高模量、耐腐蝕和良好的導電導熱等特點，軸向熱導率一般為600-1300W/mK。

碳纖維理想晶體結構（來源：知乎@新型纖維材料及其應用）

④碳化硅晶須：碳化硅 晶須是是SiC粒子在催化劑作用下，沿（111）面生長出的極端各向異性的短纖維狀晶體，其晶體結構與金剛石相類似，晶內成分均一，化學雜質少，無晶粒邊界且缺陷少，因此具有相當好的導熱性能、優異的力學性能、高強度和抗高溫性能。

小結

具有各向異性的一維填料（纖維狀、管狀、線狀等）和二維填料（片狀）分別由于大長徑比和大縱橫比在構筑導熱網絡上有明顯優勢。從導熱網絡的構筑方式來看，二維片狀填料在構筑隨機排列導熱網絡時，由于大比表面積可以形成較多的接觸點而易于形成連續的導熱路徑，一維導熱填料則可以更好地嵌入其他填料的間隙之間，可在較少填充量的情況下形成復雜的導熱網絡，但通常加工性能較差。在構筑定向排列導熱路徑時，二維導熱填料相互搭接，可在平面內構建起高效的導熱網絡，而一維填料則一般用于提高軸向方向上的導熱性能。

參考文獻：

劉升華,朱金華,王紫瀟.不同形態填料填充導熱復合材料的研究進展[J].材料開發與應用.

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