隨著電子設(shè)備、新能源汽車、航空航天等領(lǐng)域?qū)Ω咝嵝枨蟮牟粩嘣鲩L(zhǎng)，聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料作為一種輕質(zhì)且具備高導(dǎo)熱性能的材料，受到了廣泛關(guān)注。這類材料由聚合物基體和高導(dǎo)熱填料組成，其導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵在于導(dǎo)熱填料是否能夠在基體中相互搭接，形成有效的導(dǎo)熱通路。

根據(jù)填料的形貌分類，導(dǎo)熱填料主要分為球形、片狀和纖維狀三類。然而，較常使用的球形填需要較高的填充量才能實(shí)現(xiàn)理想的導(dǎo)熱效果，不利于降低成本而片狀和纖維狀填料由于具有較大的徑厚比和長(zhǎng)徑比，能夠更有效地搭接成導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。特別是纖維狀填料，憑借其高長(zhǎng)徑比和線性結(jié)構(gòu)，能夠在較低的填充量下，在復(fù)合材料內(nèi)部形成連續(xù)的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，既保證了材料的加工性能，又不顯著增加整體重量。

本文將深入探討如何更好地將纖維狀填料應(yīng)用于聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料中，以滿足器件高效散熱的需求。

1、選取合適填料

一般而言，在相同條件下，所采用填料本身的熱導(dǎo)率越高，復(fù)合材料的導(dǎo)熱率也就越高，同時(shí)，不同種類的導(dǎo)熱填料也各有其突出優(yōu)勢(shì)，需根據(jù)特定應(yīng)用進(jìn)行選取。目前，常用的纖維狀導(dǎo)熱填料有中間相瀝青基碳纖維、氮化硼纖維、碳納米管纖維、碳化硅晶須等。

①中間相瀝青基碳纖維：瀝青基碳纖維是指以富含稠環(huán)芳烴的物質(zhì)為原料制備而成的一種碳纖維，目前主要分為通用級(jí)瀝青基碳纖維和中間相瀝青基碳纖維，其中中間相瀝青基碳纖維具有高分子量、高石墨化程度、良好芳香性、高結(jié)晶度等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因而其導(dǎo)熱、力學(xué)性能都很好，導(dǎo)熱系數(shù)能達(dá)到800w/(m·K)以上，彈性模量能達(dá)到800GPa以上，能夠在較寬溫度范圍內(nèi)快速有效地傳導(dǎo)熱量，目前常用于航空航天等高端領(lǐng)域的熱管理中，在保證強(qiáng)度的同時(shí)，為輕量化提供最優(yōu)可能。。

②氮化硼纖維：氮化硼是一種具有大帶隙(5.2eV)的高導(dǎo)熱(2000W/(m·K))絕緣物質(zhì),有著和石墨烯類似的蜂窩狀原子結(jié)構(gòu)，目前主要在高功率芯片導(dǎo)熱和封裝材料領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景，不過(guò)由于制備過(guò)程復(fù)雜，目前工藝尚不成熟，質(zhì)量和性能可能會(huì)有較大波動(dòng)，規(guī)?；瘧?yīng)用仍存在挑戰(zhàn)。

③碳納米管纖維：碳納米管纖維是以碳納米管為組裝單元構(gòu)建而成的宏觀材料，其熱導(dǎo)率可以達(dá)到3500W/(m·K)，同時(shí)具有超高的機(jī)械強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)能力和纖維柔性，不過(guò)存在高濃度難以均勻分散、規(guī)?；a(chǎn)困難等情況。

④碳化硅晶須：碳化硅晶須是一種晶格缺陷少并有一定長(zhǎng)徑比的單晶纖維，具有相當(dāng)好的導(dǎo)熱性能、優(yōu)異的力學(xué)性能、高強(qiáng)度和抗高溫性能，可需要高溫高強(qiáng)應(yīng)用材質(zhì)的增韌場(chǎng)合。如:航天材料、高速切削刀具等，有著極高的性能價(jià)格比。

2、優(yōu)化填料分布

通常纖維狀填料（如碳纖維、玻璃纖維或陶瓷纖維）具有各向異性，當(dāng)其沿一個(gè)方向排列并形成有效接觸時(shí)，熱量能夠沿著纖維的長(zhǎng)軸更有效地傳遞，該方向上的熱傳導(dǎo)性會(huì)大大提高。如果纖維是隨機(jī)分布的，則熱傳導(dǎo)路徑變得曲折，降低了整體的導(dǎo)熱效率。

為了獲得取向方向上的高導(dǎo)熱性，可以通過(guò)成型加工過(guò)程中的剪切力、壓力或者拉伸力進(jìn)行擇優(yōu)排列。常用的方法有剪切取向法、熱壓取向法、冰晶誘導(dǎo)法等：

①剪切取向法：填料與預(yù)聚體或者聚合物混合均勻后轉(zhuǎn)移至基板/載帶上，在刮涂或流延產(chǎn)生的剪切力作用下填料發(fā)生取向，固化成型后與基底剝離即得具有各向異性結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料薄膜。

BNNS/PVDF復(fù)合材料薄膜制備過(guò)程

②熱壓取向法：通過(guò)熱壓成型技術(shù)使復(fù)合材料中的填料在與壓力垂直方向上獲取一定程度的取向。

③冰晶誘導(dǎo)法：利用溫度梯度來(lái)影響和控制冰凍基元的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，是溶劑沿著溫度梯度的方向定向生長(zhǎng)，形成取向結(jié)構(gòu)的冰晶，而后填料受到冰晶的排擠而沿著冰晶生長(zhǎng)的方向取向排列，最后再通過(guò)干燥等步驟使冰晶升華。

冰晶誘導(dǎo)法原理

3、多維度協(xié)同復(fù)配

除了使纖維狀導(dǎo)熱填料定向排列外，還可將纖維狀導(dǎo)熱填料與其他維度導(dǎo)熱填料進(jìn)行復(fù)配，從而構(gòu)筑有效的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。

一維導(dǎo)熱纖維（如碳纖維、玻璃纖維、金屬纖維）沿其長(zhǎng)軸方向具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性，而二維片狀材料（如石墨烯、氮化硼納米片）在平面內(nèi)有良好的導(dǎo)熱性，三維顆粒（如氧化鋁、氮化鋁）則提供各向同性的導(dǎo)熱性能。通過(guò)復(fù)配這些不同維度的填料，可以在復(fù)合材料中形成多層次的熱傳導(dǎo)路徑，提高整體的導(dǎo)熱效率。

纖維、球形填料復(fù)配構(gòu)筑導(dǎo)熱路徑

相比采用定向排列導(dǎo)熱纖維的聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料，多維度協(xié)同復(fù)配工藝較為簡(jiǎn)單，同時(shí)高成本的高性能填料（如碳納米管、石墨烯）可以與低成本的常規(guī)填料（如氧化鋁顆粒、玻璃纖維）結(jié)合使用，在不影響關(guān)鍵性能的前提下，降低材料成本，并利用不同維度材料的力學(xué)特性，顯著提升復(fù)合材料的機(jī)械性能。

4、控制纖維長(zhǎng)度

在聚合物基復(fù)合材料中，導(dǎo)熱纖維的長(zhǎng)度直接影響到復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能、機(jī)械性能以及加工性能。較長(zhǎng)的導(dǎo)熱纖維能夠提供更連續(xù)的熱傳導(dǎo)路徑，減少熱量傳遞過(guò)程中的斷點(diǎn)和曲折，從而提高導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱效率。同時(shí)，在機(jī)械性能上，長(zhǎng)纖維能夠有效地傳遞和分散外加應(yīng)力，為復(fù)合材料中提供更好的機(jī)械支撐，而短纖維雖然提供的熱傳導(dǎo)路徑較短，但其分散性好，能更均勻地分布在材料中，為復(fù)合材料提供更均勻的導(dǎo)熱性能。因此，在選制備聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，控制好纖維填料長(zhǎng)度。

5、填料表面改性

大多數(shù)導(dǎo)熱填料與聚合物基體的相容性較差，在聚合物基體中添加導(dǎo)熱填料不僅不易分散，而且不可避免地會(huì)產(chǎn)生基體-填料和填料-填料界面，導(dǎo)致界面處聲子振動(dòng)頻率不匹配從而造成大量的聲子散射，使得導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于預(yù)期值。因此，消除或減少界面引起的聲子散射是提高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的關(guān)鍵。

通過(guò)對(duì)導(dǎo)熱填料表面進(jìn)行改性處理，增加填料與聚合物基體之間的相互作用，改善填料與聚合物基體之間的相容性，可以有效降低填料-基體界面引起的聲子散射。目前，填料表面改性的常用方法主要有物理吸附和化學(xué)共價(jià)鍵合。物理虛浮是通過(guò)靜電等非共價(jià)鍵作用將偶聯(lián)劑、表面活性劑等包覆在填料粒子表面；化學(xué)共價(jià)鍵合則是將長(zhǎng)鏈分子或極性基團(tuán)通過(guò)化學(xué)反應(yīng)接枝在填料粒子表面。

硅烷偶聯(lián)劑改性原理

參考文獻(xiàn)：

1、奚啟清,楊志誠(chéng),姚深冬,等.高導(dǎo)熱纖維研究進(jìn)展[J/OL].科學(xué)通報(bào).

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