來(lái)源|中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，中國(guó)知網(wǎng)作者|陳明華，孟宏遠(yuǎn)，李譽(yù)，夏乾善，陳慶國(guó)*單位|工程電介質(zhì)及其應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院摘要：導(dǎo)熱絕緣材料是保障微電子設(shè)備、電力裝備工作效率和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行必不可少的部分，但隨著設(shè)備功率的提高，目前主流的硅基材料難以滿足高集成技術(shù)、微電子封裝、大功率電力裝備等關(guān)鍵技術(shù)對(duì)材料導(dǎo)熱、絕緣以及力學(xué)性能的要求，亟待開(kāi)發(fā)下一代導(dǎo)熱絕緣材料。聚合物基導(dǎo)熱絕緣材料因其優(yōu)異的絕緣、導(dǎo)熱和機(jī)械延展等優(yōu)異特性而被廣泛關(guān)注，本文主要以聚合物基復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)熱、絕緣及力學(xué)性能的影響為基礎(chǔ)，分析總結(jié)了填料種類、含量、填料尺寸以及填料的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)對(duì)聚合物熱導(dǎo)率的影響規(guī)律，并對(duì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及在各領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了全面梳理與總結(jié)，為高導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化提供指導(dǎo)，推動(dòng)其規(guī)模化應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)熱絕緣；聚合物復(fù)合材料；熱導(dǎo)率；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；應(yīng)用00引言隨著小型化、大功率電子器件及大功率電力裝備的快速發(fā)展，高效散熱已成為電子器件獲得長(zhǎng)壽命、高可靠性的重要因素。目前，有機(jī)硅在高精端電子器件灌封中應(yīng)用較多，但由于有機(jī)硅灌封粘結(jié)性差，固化能力較差，限制了其廣泛應(yīng)用。相比于有機(jī)硅灌封材料，環(huán)氧基灌封材料價(jià)格便宜，且固化后強(qiáng)度較高，廣泛應(yīng)用于工業(yè)電子、變壓器等領(lǐng)域，所占市場(chǎng)比例份額較高。在熱界面材料應(yīng)用中，從最初的導(dǎo)熱硅脂發(fā)展到現(xiàn)在導(dǎo)熱墊片、導(dǎo)熱相變材料等，聚合物基熱界面材料在所有產(chǎn)品中占比接近 90%，其中環(huán)氧樹(shù)脂基熱界面材料具有較高的熱導(dǎo)率，且價(jià)格低廉，市場(chǎng)規(guī)模更是達(dá)到了 6800 萬(wàn)美元。目前，最高導(dǎo)熱系數(shù)的硅脂也僅能達(dá)到 11 W/m·K，隨著電力電子及高功率設(shè)備對(duì)導(dǎo)熱和絕緣性能要求更高，導(dǎo)熱硅脂已無(wú)法滿足高集成電路、大功率器件的散熱要求，且硅材料在熱傳導(dǎo)領(lǐng)域已難以有較大提升。同時(shí)，傳統(tǒng)硅脂具有揮發(fā)度，使用一段時(shí)間后會(huì)固化，耐用性低，且更換時(shí)難以去除。相比之下，導(dǎo)熱聚合物材料具有優(yōu)異的電絕緣性能(電導(dǎo)率<1×10-9S/cm)，可有效防止電子器件短路。但是大多數(shù)聚合物導(dǎo)熱系數(shù)(0.1~0.5 W/m·K)與硅基導(dǎo)熱材料仍無(wú)法媲美，為了提高聚合物材料的導(dǎo)熱性，研究人員嘗試?yán)貌煌N類的導(dǎo)熱填料如碳材料、金屬、金屬氧化物等來(lái)制備聚合物復(fù)合材料，有望解決導(dǎo)熱性不足的問(wèn)題，有廣闊的發(fā)展空間。

圖 1 聚合物基導(dǎo)熱絕緣材料及其潛在應(yīng)用聚合物的熱導(dǎo)率受填料種類、含量和結(jié)構(gòu)等參數(shù)的影響。一般來(lái)說(shuō)，加入某些導(dǎo)電填料（碳、金屬等）會(huì)影響到復(fù)合材料的絕緣性能，但通過(guò)控制含量等，可以使得熱導(dǎo)率大幅度提高，同時(shí)降低后的絕緣性能也仍能滿足設(shè)備的要求。除此之外，復(fù)合材料的力學(xué)性能（如熱膨脹系數(shù)(CTE)）也會(huì)有所提升。目前，環(huán)氧樹(shù)脂(EP)以及聚酰亞胺(PI)是導(dǎo)熱絕緣材料目前主要研究的兩種聚合物基體。相比之下，PI 成本更高，難以在商業(yè)中廣泛應(yīng)用，故在研究中主要使用相對(duì)較為便宜的 EP 作為基體，改性技術(shù)現(xiàn)已較為成熟。本文以聚合物基復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)導(dǎo)熱、絕緣及力學(xué)性能的影響為基礎(chǔ)，分析總結(jié)了填料種類、含量、填料尺寸以及填料的復(fù)合網(wǎng)絡(luò)對(duì)聚合物熱導(dǎo)率的影響規(guī)律，并對(duì)復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原則及在各領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了全面梳理與總結(jié)，為商用高導(dǎo)熱絕緣材料的改性優(yōu)化提供指導(dǎo)，進(jìn)而推動(dòng)其在高集成技術(shù)、微電子封裝、高功率電力裝備等關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用(圖 1)。01熱傳導(dǎo)方式在固體中，熱傳遞是由電子和聲子共同作用產(chǎn)生的，聲子和電子在熱傳導(dǎo)中的作用因材料的類型而不同，聲子是通過(guò)集體原子振動(dòng)能量的量子定義的，聲子攜帶的熱能類似于在系統(tǒng)內(nèi)部傳播的粒子，聲子之間的散射會(huì)產(chǎn)生阻力，類似于氣體分子的傳輸。金屬導(dǎo)熱中電子的貢獻(xiàn)比非金屬的大，半導(dǎo)體和絕緣體在內(nèi)的介電固體中，晶格振動(dòng)主導(dǎo)熱傳輸。當(dāng)熱源接觸到晶體晶格的一側(cè)時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，由于晶體晶格的密集堆積，振動(dòng)被傳遞到鄰近的原子，從而使晶體材料中的熱量傳遞(圖 2a)。圖 2 晶體和聚合物中的導(dǎo)熱機(jī)制示意圖由于聚合物晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要考慮結(jié)晶度、溫度、大分子取向等諸多因素，因此在聚合物中熱傳導(dǎo)比較困難。聚合物中幾乎沒(méi)有自由電子可以傳熱，導(dǎo)熱主要是由聲子波引起的。當(dāng)聚合物表面與熱源接觸，熱量轉(zhuǎn)移到最近的原子使其振動(dòng)，再逐步向外傳熱，導(dǎo)致聲子波熱傳遞緩慢(圖 2b)。聲子攜帶的熱能類似于在系統(tǒng)內(nèi)部傳播的粒子，聲子之間的散射會(huì)產(chǎn)生阻力，類似于氣體分子的傳輸。因此，針對(duì)聲子導(dǎo)熱提出了聲子氣體導(dǎo)熱模型：在晶體結(jié)構(gòu)中，熱傳遞通過(guò)溫度梯度驅(qū)動(dòng)聲子擴(kuò)散，而材料內(nèi)部的缺陷、邊界等會(huì)影響聲子的弛豫時(shí)間。根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)理論和德拜比熱理論，結(jié)晶固體的晶格熱導(dǎo)率可以表示為 ? ?(1)其中，Cv?是單位體積的比熱容，νg是聲子群速度，l 是聲子平均自由程，τ 是弛豫時(shí)間。根據(jù)上式可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于晶格熱導(dǎo)率來(lái)說(shuō)，與比熱容，聲子群速度和聲子平均自由程有關(guān)。為了定量計(jì)算晶格熱導(dǎo)率，必須求解聲子玻爾茲曼輸運(yùn)方程。在實(shí)踐中，獲得聲子玻爾茲曼輸運(yùn)方程的準(zhǔn)確解是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。1951 年，Klemens 在玻爾茲曼輸運(yùn)方程的框架下系統(tǒng)地研究了不同聲子散射機(jī)制對(duì)熱導(dǎo)率的影響，并給出了求解玻爾茲曼輸運(yùn)方程計(jì)算晶格熱導(dǎo)率的可行方法，稱為 Klemens 模型。根據(jù) Klemens模型，晶格熱導(dǎo)率為 ? (2)其中 j 是波矢量極化數(shù)，νg是聲子群速度，n是波矢量。然而，在該研究聲子-聲子散射過(guò)程中，普通散射和 Umklapp 散射被同等對(duì)待，在實(shí)際的聲子-聲子散射過(guò)程中，聲子總動(dòng)量守恒，正常散射不會(huì)產(chǎn)生熱阻，但可以通過(guò)改變聲子分布影響聲子弛豫時(shí)間。因此，Klemens 模型存在著高估聲子散射強(qiáng)度的問(wèn)題，使得 k 低于實(shí)際值。Callaway 更好地解決了這個(gè)問(wèn)題，他在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中對(duì)于聲子-聲子散射分離了普通散射和 Umklapp 散射，改進(jìn)了Klemens 模型中的不足，更符合不同散射對(duì)于聲子熱阻的影響，Callaway 模型被廣泛用于計(jì)算固體材料的晶格熱導(dǎo)率。02影響復(fù)合材料熱導(dǎo)率因素聚合物基體熱導(dǎo)率低，難以直接應(yīng)用于導(dǎo)熱場(chǎng)合中，故需摻雜一些高導(dǎo)熱的金屬、碳基材料及陶瓷等無(wú)機(jī)材料，來(lái)提高聚合物的導(dǎo)熱性能。因此，兩種材料共同作用決定了聚合物的熱導(dǎo)率，填料種類、粒徑、分散以及基體/填料界面作用等不同時(shí)均會(huì)對(duì)聚合物導(dǎo)熱性產(chǎn)生影響。在利用高導(dǎo)熱填料時(shí)，還需考慮復(fù)合材料力學(xué)性能、絕緣性能等。同時(shí)，設(shè)計(jì)方法及加工工藝等其他因素也會(huì)影響到復(fù)合材料整體性能?；诖?，本文對(duì)復(fù)合材料的影響因素進(jìn)行分類如圖 3 所示，并對(duì)主要影響因素進(jìn)行分析。圖 3 復(fù)合材料導(dǎo)熱性能影響因素2.1 填料種類目前，填充材料主要是金屬、碳基材料以及高導(dǎo)熱的無(wú)機(jī)材料。由于金屬主要是通過(guò)電子導(dǎo)熱，熱導(dǎo)率較高；而利用純聲子導(dǎo)熱的無(wú)機(jī)材料熱導(dǎo)率普遍較低。金屬填料包括 Ni、Cu、Ag 等，雖然能有效提高聚合物基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，但隨著填充量的提高，會(huì)使聚合物導(dǎo)電性能大幅上升，因此金屬填料含量不宜過(guò)高。同時(shí)金屬填料導(dǎo)熱受分散和空間分布影響較大，難以廣泛應(yīng)用。碳基材料主要有石墨烯、碳納米管等，由于碳基材料擁有連續(xù)結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的導(dǎo)熱能力，且碳復(fù)合材料質(zhì)量輕，適用于高要求環(huán)境。碳納米纖維及一維碳納米管有較好的縱向排列結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱效果更佳，但其受限于加工條件，難以直接使用。但 Han Donglin 發(fā)現(xiàn)，碳納米纖維加工過(guò)程中間相瀝青(MPP)的熱導(dǎo)率更高，此時(shí)碳纖維結(jié)晶度高，取向平行于纖維軸，材料熱導(dǎo)率大幅度提高。隨著對(duì)石墨烯研究深入，研究者發(fā)現(xiàn)石墨烯微填充的復(fù)合材料熱導(dǎo)率甚至超過(guò)了碳納米管。這是因?yàn)槭┦嵌S碳材料，內(nèi)部形成了良好的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，而且高分子基體與石墨烯較好的耦合，降低了界面熱阻，但由于石墨烯是二維碳材料，比表面積較大，在交聯(lián)時(shí)難以提高摻雜量，限制了石墨烯在聚合物基導(dǎo)熱絕緣材料中的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)高分散性，目前研究主要是通過(guò)制作工藝以及表面功能化來(lái)提高石墨烯在聚合物中的分散。相較于其他碳材料，石墨烯價(jià)格相對(duì)較低，已在一些高要求導(dǎo)熱領(lǐng)域應(yīng)用，例如手機(jī)電池散熱等。在實(shí)際生產(chǎn)中陶瓷填料使用最多，包括 BN(250~300 W/m·K)、AlN(200 W/m·K)、SiC 等。陶瓷材料晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，被廣泛應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中，但材料本身也存在問(wèn)題，例如 BN 各向異性較強(qiáng)，AlN 顆粒遇水容易分解等。相較于單一填料而言，混合填料也會(huì)有效提升復(fù)合材料熱導(dǎo)率，不同粒徑優(yōu)化了填料的填充密度，復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了填料的連續(xù)性；另一方面填料負(fù)載水平降低，降低了體系粘度，基體滲透到填充/矩陣界面中，改善了界面熱阻。例如，Lee Sanchez Wa 設(shè)計(jì) BN 和 Al2O3復(fù)合填料(圖 4)，在 80 wt.%的混合BN-Al2O3填料含量下，EP 復(fù)合材料的熱導(dǎo)率達(dá)到 1.72 W/m·K，相對(duì)于純環(huán)氧樹(shù)脂基體(0.22 W/m·K)增加約 7.8 倍；Rui Fan 設(shè)計(jì)的 Si@石墨/氮化鋁/鋁復(fù)合材料，在石墨-硅填充 53.1 vol%-5.93 vol%時(shí)，復(fù)合材料的 TC 高達(dá) 467.8 W/m·K。這些均證明了雜化填料協(xié)同作用的有效性。圖 4 復(fù)合填料導(dǎo)熱模型和熱導(dǎo)率變化圖2.2 填料含量復(fù)合材料中，隨著填料含量的增多，聚合物熱導(dǎo)率會(huì)產(chǎn)生變化。Lizhu Liu 探究了不同含量 AlN 填充到 PI 中所帶來(lái)的影響，復(fù)合薄膜熱導(dǎo)率與 AlN 含量呈正相關(guān)，當(dāng) AlN 含量為 9%時(shí)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率達(dá)到 0.675 W/m·K，是純 PI(0.211 W/m·K)的 3 倍。當(dāng) AlN 含量較少時(shí)，由于 AlN 顆粒含量相對(duì)較低，且被 PI 基體完全包覆，填料顆粒相互獨(dú)立，不能形成完整的導(dǎo)熱路徑，復(fù)合材料熱導(dǎo)率變化不明顯。表 1 單填料聚合物熱導(dǎo)率但一味增加填料含量，只會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的力學(xué)性能變差。隨著填料含量的增加，由于填料顆粒與基體之間的相容性較差，兩者之間的結(jié)合力不能有效地傳遞應(yīng)力，從而導(dǎo)致復(fù)合膜的抗拉強(qiáng)度降低。更為關(guān)鍵的是隨著填充粒子的引入，粒子誘導(dǎo)的載流子空間電荷極化成為主導(dǎo)，特別是在較低頻區(qū)域，載流子隨著填料含量的增加而增加，空間電荷極化增強(qiáng)，導(dǎo)致復(fù)合材料的介電常數(shù)增大。同時(shí)團(tuán)聚現(xiàn)象使得在復(fù)合膜中形成若干導(dǎo)電通道，降低復(fù)合材料擊穿強(qiáng)度。綜上，在利用高導(dǎo)熱填料時(shí)要合理控制填充含量才會(huì)有效提升復(fù)合薄膜性能。2.3 填料尺寸填料的尺寸也會(huì)對(duì)聚合物熱導(dǎo)率產(chǎn)生影響(圖5)，小粒徑填料連接雖好但接觸面積較大，界面熱阻較高，在相同填充含量下，大顆粒填料比表面積少，顆粒間張力均勻，不容易形成團(tuán)聚體，顆粒相互滲透，在復(fù)合材料中起到良好的導(dǎo)熱效果；同時(shí)，大粒徑填料界面面積相對(duì)較小，界面極化微弱，對(duì)聚合物絕緣性能影響極其微弱。Meng Ma 利用不同尺寸的還原氧化石墨烯雜化填料負(fù)載氧化鋁顆粒，制備了一系列基于 NFC 的復(fù)合薄膜，研究結(jié)果表明大粒徑 Al2O3的比表面積顆粒比小粒徑 Al2O3顆粒小，導(dǎo)致含有大粒徑 Al2O3顆粒的薄膜具有更小的界面熱阻和優(yōu)異的熱導(dǎo)率。圖 5 不同粒徑填充示意圖以及熱導(dǎo)率變化圖然而，隨著研究的深入發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)熱填料經(jīng)過(guò)超細(xì)微化處理后也可以有效提升自身性能。相較于微米填料，納米填料的復(fù)合材料能保持原較高熱導(dǎo)性，但由納米填料填充的復(fù)合材料力學(xué)性能有更大的提高，例如 CTE 降低，拉伸強(qiáng)度變大，極大程度提高了應(yīng)用范圍。這主要是因?yàn)樘盍霞{米化導(dǎo)致材料自身結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，內(nèi)部熱導(dǎo)率提高，進(jìn)而影響到復(fù)合材料性能。因此，大小粒徑填料均可改善材料的導(dǎo)熱性能，但大粒徑填料更側(cè)重于改善填料與集體的界面問(wèn)題，而小粒徑材料更著重于改善復(fù)合材料整體的應(yīng)用性能同時(shí)仍能保持原有的熱導(dǎo)率。目前，研究人員越來(lái)越偏向于選擇納米填充材料，其不僅可以有效維持原材料的較高熱導(dǎo)率，而且能滿足柔性電子器件對(duì)導(dǎo)熱絕緣材料的力學(xué)性能要求，有更廣的適用范圍。2.4 復(fù)合材料界面相較于純聚合物，復(fù)合填料比表面積增大，界面相容性較差，加上復(fù)合填料表面張力差異較大，導(dǎo)致填料粒子在聚合物中容易團(tuán)聚；同時(shí)由于基體與填料接觸不好，導(dǎo)致兩者之間留有氣隙，增大內(nèi)部熱阻，導(dǎo)熱效率降低；由于大量界面的存在，導(dǎo)致聲子散射嚴(yán)重，聲子導(dǎo)熱效率降低。由 Wang 等人的工作已經(jīng)證明界面熱阻對(duì)聲子非彈性散射有極大的增強(qiáng)作用，多壁碳納米管(MWCNT)和基體界面不完全接觸增大了熱阻，聲子散射增強(qiáng)，嚴(yán)重影響復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。因此，改善界面性質(zhì)、降低界面熱阻對(duì)于材料導(dǎo)熱性能的改善起到了關(guān)鍵作用。Kunpeng Ruan 對(duì)石墨烯表面胺化獲得的胺化石墨烯/PI 復(fù)合膜，熱導(dǎo)率為 7.13 W/m·K，是純 PI 膜的 8.2 倍左右；Jaehyun Wie 利用聚硅氮烷涂覆 BN，增強(qiáng)了填料和基體之間的界面附著力，填料含量為 75 wt%的聚硅氮烷改性 BN 表面的環(huán)氧復(fù)合材料具有 11.8 W/m·K 的最高熱導(dǎo)率，是純環(huán)氧樹(shù)脂的 62 倍。上述研究均證明了界面功能化的有效性。此外，Kunpeng Ruan 還通過(guò)模態(tài)分析(EMT)模型成功證明了界面功能化對(duì)界面熱阻改善的重要性，界面改性對(duì)復(fù)合材料性能的提升有著至關(guān)重要的作用。其他填料表面功能化復(fù)合材料如表 2 所示。表 2 填料表面功能化總結(jié)2.5 復(fù)合材料網(wǎng)絡(luò)上述內(nèi)容主要討論隨機(jī)分散的填料對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱所起到的作用，而構(gòu)造連續(xù)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)效果更佳。復(fù)合網(wǎng)絡(luò)減少了填料基體接觸界面，從而降低界面對(duì)材料導(dǎo)熱性能的影響，同時(shí)可以形成連續(xù)的導(dǎo)熱通道，使填料作為導(dǎo)熱主體，起主要導(dǎo)熱作用。利用一維材料(例如 CNT 等)將二維片狀材料連接起來(lái)，能夠形成三維的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。Ying Wang 構(gòu)建了填充有氮化硼薄片(BN)作為導(dǎo)熱橋的 3D 取向碳纖維(CF)的 EP 復(fù)合材料熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖 6)，有效拓寬了熱傳導(dǎo)路徑并連接相鄰纖維，降低熱阻。5 vol%CF 和 40 vol% BN 的 BN/CF/EP 復(fù)合材料熱導(dǎo)率高達(dá)3.1 W/m·K，其電導(dǎo)率僅為 2.5×10-4S/cm。圖 6 隨機(jī)分布和 3D 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

除此之外，也可利用前驅(qū)體或三維網(wǎng)絡(luò)框架使填料在基體中形成三維互聯(lián)通熱通道，形成三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。例如 Jingchao Li 利用多糖凝膠固定 3D 泡沫模板， 將氮化硼納米片 填充到聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料中，形成 3D 導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。與商業(yè)硅膠墊(1.5 W/m·K)相比，在 25% 的低填充量時(shí)，熱導(dǎo)率可以達(dá)到相同的水平，但復(fù)合材料的密度(1.27 g/cm3)遠(yuǎn)低于硅墊片，大大降低了復(fù)合材料的體積和重量。接下來(lái)針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行總結(jié)。03導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)聚合物基復(fù)合材料熱導(dǎo)率受到上述各種因素影響，在設(shè)計(jì)高導(dǎo)熱材料時(shí)，必須平衡各影響因素關(guān)系，既要提高導(dǎo)熱絕緣性能，同時(shí)也要保持良好的力學(xué)性能。目前，簡(jiǎn)單填充高導(dǎo)熱填料已經(jīng)不能滿足于市場(chǎng)和研究的需要，通過(guò)對(duì)復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的構(gòu)效關(guān)系，建立復(fù)雜微觀環(huán)境下復(fù)合材料深層導(dǎo)熱機(jī)制，有望進(jìn)一步提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱特性，如減少聲子散射、減少界面熱阻、構(gòu)造良好的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)等。因此，深入研究聚合物的微觀結(jié)構(gòu)與其宏觀特性的構(gòu)效關(guān)系很有必要。3.1 定向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高定向?qū)嵝枰獌?nèi)部填料沿著特定方向排列，熱量會(huì)優(yōu)先選擇該定向?qū)崧窂絺鲗?dǎo)，確保熱量導(dǎo)出到外部。在實(shí)驗(yàn)室可通過(guò)機(jī)械工藝使填料定向，如注射成型、熱壓成型以及靜電紡絲等都可以使材料定向排列；也可在加工過(guò)程中通過(guò)剪切或拉伸流定向、外部場(chǎng)如電場(chǎng)磁場(chǎng)等使填料定向排列。定向結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)高定向?qū)岵牧系年P(guān)鍵，一維(CNTS)和二維(BNNS)材料在加工時(shí)易定向，具有較高的定向熱導(dǎo)率。Kai Wu 通過(guò)簡(jiǎn)單地真空輔助過(guò)濾制備了基于纖維素納米纖維(CNFs)/氟化氮化硼納米(f-BNNSs)的定向結(jié)構(gòu)薄膜。該薄膜具有高定向?qū)峒翱缮锝到獾葍?yōu)勢(shì)，f-BNNS 自身之間充分連接且易形成定向結(jié)構(gòu)，f-BNNS 與 CNF 之間強(qiáng)相互作用，使制備的復(fù)合膜強(qiáng)韌、具有更高的面內(nèi)熱導(dǎo)率(30.25 W/m·K)，同時(shí)復(fù)合膜在 1000 Hz 下具有 4.86 的低介電常數(shù)，其絕緣特性優(yōu)于純 CNFs。除通過(guò)真空輔助過(guò)濾法制備定向結(jié)構(gòu)外，還可通過(guò)熱壓法使填料定向分布。熱壓法是將填料顆粒與聚合物顆?；旌?，然后將其壓縮成型，形成一種聚合物被填料顆粒包裹著的結(jié)構(gòu)，聚合物導(dǎo)熱主要通過(guò)外層的填充材料來(lái)完成。即使填充含量較低，由于基體與填料接觸面積較大，也可形成穩(wěn)定的導(dǎo)熱通道。Tengbo Ma 利用真空過(guò)濾-熱壓法制備具有仿珍珠層狀結(jié)構(gòu)的多巴胺功能化氮化硼納米片(BNNS@PDA)/芳綸納米纖維(ANF)復(fù)合薄膜，具有較高的面內(nèi)熱導(dǎo)率(3.94 W/m·K)，同時(shí)薄膜抗拉強(qiáng)度達(dá)到 36.8 MPa，這都?xì)w因于多巴胺的羥基與 ANF的羧基和氨基形成氫鍵，減少薄膜內(nèi)部缺陷。Yanchun Han 將 SiN 顆粒和 EP 混合后的材料熱壓制備復(fù)合材料，由于填料形成了連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)導(dǎo)熱的連續(xù)性，當(dāng)填料體積達(dá)到 30%時(shí)，復(fù)合材料的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá) 1.8 W/m·K，在高頻測(cè)試條件下，復(fù)合材料表現(xiàn)出較低的介電常數(shù)和介電損耗。上述研究結(jié)果表明通過(guò)熱壓法形成的復(fù)合材料界面接觸更好，界面作用弱，在一定程度上增大復(fù)合材料的面內(nèi)導(dǎo)熱性能和降低材料介電常數(shù)和損耗，同時(shí)通過(guò)控制熱壓溫度和壓力可以有效改變復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成，形成高定向連續(xù)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)。此外，外場(chǎng)定向排列高導(dǎo)熱填充材料也是一種較好實(shí)現(xiàn)高定向結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱的方式，通過(guò)外場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)填料在聚合物內(nèi)任意定向。例如，Hong-BaeK Cho 利用電場(chǎng)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)定向 BNNS，通過(guò)控制改變直流場(chǎng)方向所形成的二維定向結(jié)構(gòu)擁有高面內(nèi)方向的導(dǎo)熱路徑(圖 7a)。圖 7 外場(chǎng)定向法復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

除此之外，Hong-Baek Cho 又通過(guò)電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了法向高定向的 BaFe12O19填充 Si 基納米復(fù)合薄膜(圖 7b)。Kiho Kim 使用外電場(chǎng)沿?zé)醾鬏敺较虼怪迸帕?TiO2改性的 BN 粒子，高介電 TiO2在電場(chǎng)極化作用下導(dǎo)致 BN 粒子垂直排列。當(dāng)填充 20 vol%時(shí)，面內(nèi)熱導(dǎo)率從 0.78 W/m·K 增加到 1.54 W/m·K，同時(shí)這種復(fù)合材料表現(xiàn)出更好的機(jī)械性能。綜上，真空輔助過(guò)濾主要是為了將未參與組合的原料清除，減少內(nèi)部缺陷。而真空過(guò)濾配合熱壓法可將組裝的二維納米片結(jié)構(gòu)壓制成緊密的復(fù)合薄膜層，沿平面內(nèi)形成較多的層狀結(jié)構(gòu)，有利于平面定向?qū)?。但這種方法制備得復(fù)合薄膜較為粗糙，層與層之間連接微弱。同時(shí)，該方法難以形成法向的定向排列，由于電子封裝中熱界面材料需要從熱器件的整個(gè)表面到散熱器(即 CPU 到散熱器)的散熱，具有垂直取向結(jié)構(gòu)的聚合物復(fù)合材料更容易在垂直方向表現(xiàn)出快速散熱和大熱通量，意味著在電子封裝等要求高法向熱導(dǎo)率的場(chǎng)合難以應(yīng)用。相比之下，外場(chǎng)定向法具有較大的優(yōu)勢(shì)，其操作方便，且較為容易實(shí)現(xiàn)，在內(nèi)部電場(chǎng)的作用下，可以實(shí)現(xiàn)任意方向?qū)嵬ǖ?面內(nèi)以及法向)，更好解決了熱壓法單向定向的缺點(diǎn)，是目前較為實(shí)用的一種方法。3.2 不定向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比于填料隨機(jī)分散制備的復(fù)合材料，連續(xù)導(dǎo)熱通道具有更優(yōu)秀的導(dǎo)熱性能，隨機(jī)分散難以保證填料不集聚。自組裝法是一種簡(jiǎn)單形成連續(xù)導(dǎo)熱通道的方法，其過(guò)程并不是大量原子、離子、分子之間的簡(jiǎn)單疊加，而是若干個(gè)體之間同時(shí)自發(fā)地發(fā)生并集合在一起，形成一個(gè)緊密而又有序的整體，是一種整體的復(fù)雜的協(xié)同作用。分子自組裝是利用生物親和力或基團(tuán)間的鍵合力，搭建規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)。Hongxia Zeng 通過(guò)簡(jiǎn)單的蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝法制備了由 BNNS 和氧化纖維素納米晶體(OCNC)組成的大規(guī)模高性能人造珍珠層狀復(fù)合材料。在 11.6 vol%的相對(duì)低填充負(fù)載下表現(xiàn)出 10.9 W/m·K 的熱導(dǎo)率以及 197.3 MPa 的優(yōu)異拉伸強(qiáng)度，其優(yōu)異的綜合特性來(lái)自于其獨(dú)特的珍珠層狀結(jié)構(gòu)和穩(wěn)健的界面相互作用，保證了復(fù)合材料擁有雙方的共同特性。此外，Gun-Ho Kim 發(fā)現(xiàn)熱沿共價(jià)鍵連接的鏈傳遞比由弱范德華力相互作用連接的鏈之間的傳遞更有效，特別是氫鍵(h 鍵)的效果更好。它可以連接許多部分和單元，對(duì)于熱傳導(dǎo)鏈間的連接設(shè)計(jì)有很大的靈活性。h 鍵增加分子鍵強(qiáng)度已經(jīng)被證明是提高聚合物導(dǎo)熱性的有效方法。Liwen Mu 利用自組裝結(jié)晶法制備聚乙烯醇(PVA)/氨基酸(AA)復(fù)合材料，通過(guò) h 鍵形成連續(xù)的晶體網(wǎng)絡(luò)組成了一個(gè)連續(xù)的界面，使得聲子可以有效地轉(zhuǎn)移，當(dāng) AA 含量為 8.4%時(shí)，PVA/AA 復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)顯著提高至 0.7 W/m·K，比純 PVA 提高了 170%。強(qiáng)的 PVA-AA 分子相互作用和自組織的晶體結(jié)構(gòu)是其獨(dú)特的界面性能改善和優(yōu)異的熱導(dǎo)率提升的主要原因。自組裝法形成的晶體導(dǎo)熱“高鐵”使復(fù)合材料的熱導(dǎo)率比純基體顯著提高，是一種較為有效的方法。高分子聚合物由于相對(duì)分子質(zhì)量大難以氣化，氣相沉積不利于復(fù)合材料制備，相反自組裝法更適用，得到兩種組分的復(fù)合膜。自組裝方法簡(jiǎn)便易行，無(wú)須特殊裝置，通常以水為溶劑，沉積過(guò)程和膜結(jié)構(gòu)可分子級(jí)控制，也可以利用連續(xù)沉積不同組分，制備膜層間二維甚至三維比較有序的結(jié)構(gòu)，近年來(lái)受到廣泛的重視。但這種方法受到分子識(shí)別、組分和溶劑的影響，高分子聚合物需要識(shí)別分子的形狀大小以及可組裝的部位例如氫鍵、π 建等，才能找到最穩(wěn)定、最接近的位置，并形成超過(guò)單個(gè)分子功能的聚集體。同時(shí)，大部分自組裝都是在溶液中進(jìn)行的，溶劑對(duì)自組裝過(guò)程起著關(guān)鍵的作用，包括溶劑的類型、密度、pH 值以及濃度等，溶劑的性質(zhì)可能會(huì)導(dǎo)致自組裝結(jié)構(gòu)的改變，特別是會(huì)破壞共價(jià)鍵的溶劑，對(duì)自組裝的結(jié)果更是具有破壞作用。

3.3 三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Navid SaKhavand 通過(guò)融合氮化硼納米管(BNNT)和單層的 h-BN，設(shè)計(jì)了三維多孔柱狀 BN(PBN)，緩和了材料的各向異性，提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能。Rouzbeh 對(duì)上述三維 PBN 和他的同素異形體BNNT、h-BN 進(jìn)行了性能比較，發(fā)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的PBN產(chǎn)生了獨(dú)有的結(jié)、管、片的協(xié)同效應(yīng)(圖 8a)，克服了內(nèi)在的各向異性，平衡了熱傳輸性能，使得聲子散射盡可能地減弱，增強(qiáng)聲子的導(dǎo)熱。同時(shí)結(jié)、管、片形成三維導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)，更有利于熱傳遞。圖 8 3D 結(jié)構(gòu)復(fù)合材料示意圖Jin Chen 利用納米纖維支撐的三維互聯(lián)氮化硼納米片(3D-C-BNNS)氣凝膠作為框架結(jié)構(gòu)，將 EP 浸漬到氣凝膠中填充網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，制備出高導(dǎo)熱絕緣納米復(fù)合材料，在較低的 BNNS(9.6%)填充體積下，納米復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)提高了 14 倍左右，同時(shí)其仍可保持 1015Ω·cm 的低體積電阻率。此外，利用冰模板自組裝與滲透法相結(jié)合的方法制備 3D-BNNS 氣凝膠網(wǎng)絡(luò)(圖 8b)，以及使用柔性氮化硼泡沫(BNF)和BNNS 構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)設(shè)計(jì)三維結(jié)構(gòu)的填料框架將聚合物填充到框架中，均有良好的借鑒意義。然而，上述三維結(jié)構(gòu)的填料框架難以控制結(jié)構(gòu)，且成本較高，目前只停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。綜上，除了使用較佳導(dǎo)熱填料和復(fù)合填料外，還可通過(guò)控制材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)來(lái)改變聚合物的電熱力性能。通過(guò)設(shè)計(jì)合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，構(gòu)造良好的導(dǎo)熱路徑，減少基體與填料的界面作用，降低聲子的散射，在微觀層面的精細(xì)研究有望為導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料帶來(lái)新突破。

04導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料應(yīng)用聚合物復(fù)合材料主要是針對(duì)設(shè)備要求設(shè)計(jì)的，往往需要優(yōu)異的導(dǎo)熱絕緣以及力學(xué)性能，以滿足各種高溫環(huán)境，絕緣導(dǎo)熱材料常以樹(shù)脂、硅膠、陶瓷為基底，添加無(wú)機(jī)物來(lái)達(dá)到要求，以橡膠、粘結(jié)劑、涂料等形式主要應(yīng)用在電氣裝備、微電子、LED、照明、太陽(yáng)能發(fā)電、交通運(yùn)輸、航空航天、國(guó)防軍工及能源換熱設(shè)備等現(xiàn)代高科技領(lǐng)域。目前，導(dǎo)熱絕緣材料在電子封裝領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，聚合物復(fù)合導(dǎo)熱材料往往會(huì)有以下優(yōu)點(diǎn)：1）成本低；2）易加工；3）介電常數(shù)低，通過(guò)添加不同填料，控制導(dǎo)熱成本低；4）耐腐蝕性好；5）重量輕、體積小、粘結(jié)性能好；6）合適的拉伸強(qiáng)度、膨脹系數(shù)較低。4.1 電子封裝隨著科技的發(fā)展，電子設(shè)備對(duì)熱管理的要求逐漸增高，由于半導(dǎo)體器件功率大，體積小，導(dǎo)致熱集聚，對(duì)電子設(shè)備性能壽命有嚴(yán)重的影響，因此對(duì)電子設(shè)備封裝有嚴(yán)格的導(dǎo)熱要求。電子封裝導(dǎo)熱包括芯片直接散熱，也包括元件間連接結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱，例如印刷電路板(PCB)的填充材料。電子封裝材料主要分為三種類型：金屬基封裝材料、陶瓷基封裝材料以及聚合物基導(dǎo)熱材料。金屬基封裝材料具有高導(dǎo)熱性能以及高強(qiáng)度和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，常被應(yīng)用于軍事和航天領(lǐng)域的電子封裝；陶瓷基封裝材料具有良好的絕緣性能、介電常數(shù)低、CTE 較低，同時(shí)具有良好的拉伸機(jī)械強(qiáng)度以及導(dǎo)熱性能，往往在高頻率下會(huì)表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，例如硅膠墊片、導(dǎo)熱硅脂等；聚合物基導(dǎo)熱材料由聚合物和無(wú)機(jī)填料組成，結(jié)合了無(wú)機(jī)材料的高導(dǎo)熱性能和絕緣性能以及有機(jī)聚合物的重量輕、易于加工同時(shí)價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，導(dǎo)熱性能雖然沒(méi)有金屬基材料優(yōu)異，但改善后的導(dǎo)熱性能通常會(huì)比純有機(jī)聚合物高幾倍，足以滿足大多數(shù)電子封裝熱界面散熱，并且價(jià)格相較便宜，更適用于實(shí)際應(yīng)用中。在聚合物中，EP 基熱固性樹(shù)脂在電子封裝領(lǐng)域大約占 90%的份額，往往比其他聚合物表現(xiàn)出更良好的導(dǎo)熱絕緣性能。相比于熱塑性樹(shù)脂，熱固性材料具有優(yōu)異的耐熱性好、絕緣性能優(yōu)良、抗腐蝕耐老化，但機(jī)械性能較差。本文主要討論半導(dǎo)體器件急需解決熱管理的三個(gè)領(lǐng)域：?jiǎn)?a target="_blank">芯片封裝、多芯片鏈接導(dǎo)熱(集成電路)、柔性電子封裝。4.1.1 芯片封裝降低芯片與導(dǎo)熱材料界面熱阻對(duì)電子封裝散熱至關(guān)重要，這就要求熱界面材料(TIMs)導(dǎo)熱效率高，同時(shí)較低的CTE來(lái)保持材料與芯片良好的接觸效果，盡可能減少氣隙。表3總結(jié)了目前商業(yè)用的導(dǎo)熱材料，熱導(dǎo)率在3-5 W/m·K，國(guó)內(nèi)電子封裝的導(dǎo)熱絕緣材料主要是以硅脂、硅膠材料為主，通常在有機(jī)硅中添加少量無(wú)機(jī)物來(lái)提高復(fù)合材料的性能。表 3 商業(yè)熱傳導(dǎo)產(chǎn)品Han Yan將?Al2O3?接枝到BNNS表面的填料填充到硫化硅橡膠中制備了復(fù)合材料，當(dāng)兩者1:1共填充30 wt%時(shí)，面內(nèi)熱導(dǎo)率高達(dá)2.86 W/m·K，是純橡膠基體的2.8倍(1.01?W/m·K)，擁有高達(dá) 0.84 MPa的抗拉強(qiáng)度、3.89的介電常數(shù)、5.76×1011Ω·cm體積電阻率以及 -40.1℃玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，高性能主要是因?yàn)殡p填充物點(diǎn)-平面結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，使得硅橡膠基體性能的提高。在電子封裝中，主要關(guān)注的參數(shù)是材料的熱導(dǎo)率和拉伸強(qiáng)度、CTE等。

例如納米填料由于高的表面/體積比，CTE較低使得界面相互作用減弱，大大增強(qiáng)了界面的熱傳遞面積，納米填料對(duì)TIMs的CTE以及導(dǎo)熱絕緣性能都有重要的影響，雖然復(fù)合材料導(dǎo)熱性能沒(méi)有很明顯的提升，但力學(xué)性能有較好的改善，使復(fù)合材料能很好地應(yīng)用于芯片的封裝中。國(guó)外有許多研究者使用聚合物作為電子封裝導(dǎo)熱材料。Chao Chen 在 EP 中加入不同尺寸的球形氧化鋁，導(dǎo)熱系數(shù)顯著提高到 1.364 W/m·K，同時(shí)復(fù)合材料擁有優(yōu)異的絕緣性能、高的熱穩(wěn)定性、較低的CTE，可作為高功率電子器件封裝的高性能導(dǎo)熱材料，但制備球形 Al2O3顆粒的成本高以及制造工藝復(fù)雜，解決這些問(wèn)題對(duì)該復(fù)合材料的大規(guī)模運(yùn)用至關(guān)重要。Dongju Lee 對(duì)六方氮化硼納米片(h-BNNP)表面羥基化處理，減少了表面缺陷，改善了填料團(tuán)聚問(wèn)題，且羥基更益于與基體界面強(qiáng)結(jié)合，降低界面熱阻。EP 納米復(fù)合材料熱導(dǎo)率最高為 0.57 W/m·K，是純 EP 樹(shù)脂的 2.85 倍(圖 9)。盡管絕緣性能有所降低，但仍在可接受的范圍內(nèi)。同時(shí)，這種制備方法簡(jiǎn)單，操作方便，在實(shí)際應(yīng)用測(cè)試中表現(xiàn)出優(yōu)于商用導(dǎo)熱硅膠材料，納米復(fù)合材料在芯片封裝具有較大的應(yīng)用前景。圖 9 芯片封裝試驗(yàn)示意圖以及實(shí)驗(yàn)溫度-時(shí)間曲線

4.1.2 集成電路封裝相比于傳統(tǒng)多組件電子模塊(約 250 cm2)的電子封裝來(lái)說(shuō)，3D 集成模擬 CMOS 電路(約 1cm2)導(dǎo)熱就會(huì)變得更為復(fù)雜。通過(guò)三維芯片堆棧技術(shù)以及通過(guò)硅通孔(TSV)互連所設(shè)計(jì)的 3D 芯片堆，使設(shè)備的尺寸和重量大大減小，同時(shí)提高了系統(tǒng)的整體性能，但也產(chǎn)生了熱通量問(wèn)題。目前依靠提高堆棧芯片接口導(dǎo)熱來(lái)降低三維熱管理難度，同時(shí)亦利用高導(dǎo)熱可折疊柔性聚合物，通過(guò)嵌入集成電路內(nèi)部，將熱量有序排出，是 3D 堆棧芯片散熱的主要方法。熱固性聚合物熱導(dǎo)率高但拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性能較差，隨著填料體積分?jǐn)?shù)提高，聚合物流動(dòng)性差，粘度增大，CTE 升高，復(fù)合材料難以緊密貼合堆棧芯片接口，導(dǎo)致界面之間存在氣隙，對(duì)接口處導(dǎo)熱有嚴(yán)重的影響。同時(shí)，針對(duì)集成電路中某些高產(chǎn)熱芯片，可在復(fù)合材料和散熱器件間填充微量的相變材料，在相變時(shí)放出或吸收大量熱以達(dá)到快速降溫，將相變材料微量填充在聚合物與芯片間，相變材料吸熱溶解傳遞熱量。當(dāng)器件不工作時(shí)，相變材料凝固蓄能。同時(shí)相變材料具有一定的彈性，可保證接觸界面貼合，增強(qiáng)導(dǎo)熱效果。目前非有機(jī)相變材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電機(jī)降溫以及電腦硬件冷卻等行業(yè)中，未來(lái)可深入探索其在集成電路中的應(yīng)用潛力。

4.1.3 柔性電子封裝近十多年，移動(dòng)設(shè)備(如手機(jī)、平板電腦等智能設(shè)備)向著多功能化、更輕、更薄甚至可彎曲的方向快速發(fā)展，內(nèi)部電子元件的小型化、集成化、大功率密度逐步實(shí)現(xiàn)，電子器件的每平方面積熱流增加導(dǎo)致嚴(yán)重的散熱問(wèn)題，危及電子設(shè)備的可靠性和壽命；同時(shí)下一代電子產(chǎn)品必將向著柔性方向發(fā)展，這要求新的導(dǎo)熱材料不光具有較高的熱導(dǎo)率，還需有較好的可折疊性。正如前部分所講，金屬材料的延展性好，但其剛性差，通常易碎且難以彎折，柔性聚合物復(fù)合材料能滿足上述要求。設(shè)計(jì)的復(fù)合材料要有高的界面導(dǎo)熱系數(shù)、良好的絕緣性能、靈活的結(jié)構(gòu)，以解決柔性電子器件在使用中的過(guò)熱問(wèn)題。由于石墨烯具有極高的導(dǎo)熱性能、優(yōu)異的機(jī)械柔韌性以及大的縱橫比，利用不同功能化的石墨烯作為柔性 TIMs 具有較好的效果。但石墨烯電導(dǎo)率高，通過(guò)對(duì)石墨烯表面功能化可有效改善絕緣性能，是設(shè)計(jì)柔性導(dǎo)熱材料的最佳選擇(表 4)。表 4 柔性復(fù)合材料導(dǎo)熱性和電導(dǎo)率Li Peng設(shè)計(jì)無(wú)碎片的氧化石墨烯薄膜(GF)，解決了導(dǎo)電性問(wèn)題。利用大塊氧化石墨烯和微氣囊結(jié)構(gòu)(由半富勒烯機(jī)械擠壓形成)設(shè)計(jì)的無(wú)碎片氧化石墨烯基薄膜，其熱導(dǎo)率可達(dá)到 1940±113 W/m·K，優(yōu)于以往的石墨烯的材料(1434 W/m·K)。同時(shí)其具有高達(dá) 16%的高斷裂伸長(zhǎng)率，可承受 180° 無(wú)縫折疊 6000 次以上，180° 彎曲 10 萬(wàn)次仍能保持材料的完整性。盡管在氧化石墨烯表面形成局部微褶結(jié)構(gòu)，但不影響整體結(jié)構(gòu)的表面光滑性，保證了在實(shí)際的導(dǎo)熱中與襯底良好接觸，不會(huì)產(chǎn)生高熱阻。大面積多功能 GFs 可以很容易地集成到大功率柔性設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)高效的熱管理。此外，Xiongwei Wang 利用真空過(guò)濾技術(shù)制備含少量聚乙烯醇(PVA)的高導(dǎo)熱絕緣、柔性的氟化石墨烯復(fù)合膜(圖 10)，含有 93%氟化石墨烯復(fù)合膜可以適應(yīng)人類手指的重復(fù)彎曲變形，含有 73.3%氟化石墨烯復(fù)合膜甚至可以忍受更復(fù)雜的折疊而不造成任何損傷。圖 10 柔性 dfGF 復(fù)合膜實(shí)物圖和散熱效果圖氟化石墨烯復(fù)合薄膜力學(xué)性能的顯著提高主要與氟化石墨烯與 PVA 鏈之間的強(qiáng)相互作用有關(guān)，一方面 PVA 促進(jìn)脫落的氟化石墨烯在水中的分散，同時(shí)還作為粘結(jié)劑增強(qiáng)相鄰氟化石墨烯納米片之間的連接。這種 TIMs 可在保持良好的絕緣性能的同時(shí)，還能達(dá)到 61.3 W/m·K 的超高面內(nèi)熱導(dǎo)率。可折疊、高功率智能設(shè)備必將主導(dǎo)下一代電子產(chǎn)品，這就需要強(qiáng)大的熱管理系統(tǒng)來(lái)解決散熱問(wèn)題，相應(yīng)的導(dǎo)熱材料必須有較好的導(dǎo)熱絕緣性能以及優(yōu)秀的力學(xué)性能，可伸縮、多功能的石墨烯薄膜是最好的選擇(不同柔性材料性能見(jiàn)表 4)，其能夠開(kāi)發(fā)成具有超高導(dǎo)熱絕緣性以及突出靈活性的新型工程材料，在航空航天和智能手機(jī)等領(lǐng)域的下一代高頻柔性/可穿戴電子產(chǎn)品中具有較高應(yīng)用價(jià)值。但由于石墨烯成本高、制備困難，難以大規(guī)模使用。不久的將來(lái)，上述實(shí)驗(yàn)方法(例如功能化、微褶結(jié)構(gòu)、定向垂直排列結(jié)構(gòu))和技術(shù)可以推廣到其他 2D 納米材料(如 BN、MoS2、Mo2C、和 Black phosphorus(黑磷))，將為高性能超柔性材料建立堅(jiān)實(shí)的選擇庫(kù)，在下一代可穿戴式柔性電子設(shè)備擁有極大的潛在應(yīng)用。4.2 電機(jī)導(dǎo)熱絕緣電動(dòng)汽車(chē)、船舶等交通設(shè)備電機(jī)定子繞組絕緣導(dǎo)熱材料一方面可提高電機(jī)的綜合性能和使用壽命，另一方面可提高電機(jī)功率密度和效率，增加主絕緣導(dǎo)熱系數(shù) 50%，空冷發(fā)電機(jī)的效率將能增加 20%。圖 11 是電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)以及散熱效果圖。圖 11 電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)和測(cè)試紅外圖隨著電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，其核心部件牽引電機(jī)功率密度逐漸提高，熱管理成為在可變負(fù)載條件下防止過(guò)熱的關(guān)鍵，電機(jī)繞組和疊片之間的熱導(dǎo)率是電機(jī)熱分析中最關(guān)鍵的參數(shù)之一，該系數(shù)取決于絕緣材料和繞組的制造工藝。通常電動(dòng)機(jī)銅導(dǎo)線絕緣層熱導(dǎo)率低于0.5 W/m·K，而電機(jī)中金屬部件的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其周?chē)^緣材料的熱導(dǎo)率，使得銅線散熱困難，出現(xiàn)熱集聚限制牽引電機(jī)的性能，過(guò)高的溫度還會(huì)使電機(jī)的可靠性下降，甚至直接引起電機(jī)故障。使用高導(dǎo)熱絕緣的繞組和槽襯墊是提高電機(jī)功率密度的有效策略。電機(jī)定子繞組大多數(shù)是云母絕緣材料，其優(yōu)秀的絕緣能力為電機(jī)繞組提供了較高的放電電壓，但云母熱導(dǎo)率僅為 0.2-0.3 W/m·K，熱老化問(wèn)題嚴(yán)重，同時(shí)延伸能力差組件之間產(chǎn)生空隙，進(jìn)一步降低熱傳導(dǎo)效率，也為局部放電提供了條件，加速了電機(jī)老化和失效。西門(mén)子公司在 EP 中填充特殊處理的球形 SiO2，用來(lái)替代云母絕緣材料，有效提高了導(dǎo)熱能力且復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和熱膨脹性能明顯提升，該方法使電機(jī)定子棒耐久性提高了 13 倍；東芝公司在生產(chǎn)云母帶的過(guò)程中，在玻璃纖維粘結(jié)樹(shù)脂中加入高導(dǎo)熱氮化硼，開(kāi)發(fā)了氫冷渦輪發(fā)電機(jī)用高導(dǎo)熱絕緣材料；GE 公司開(kāi)發(fā)增強(qiáng)型聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)云母膠帶，采用 PET薄膜作為云母紙的基材，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的真空壓力浸漬(VPI)處理，與傳統(tǒng)絕緣系統(tǒng)相比，增強(qiáng)型 PET 云母系統(tǒng)具有更好的導(dǎo)熱耐壓(VE)特性。大型船舶以及超高速飛機(jī)的出現(xiàn)，要求電機(jī)要有更高的扭矩密度和有效載荷效率，然而問(wèn)題在于輸出功率的提高需要更好的熱管理來(lái)應(yīng)對(duì)增加的熱量，高功率和高電流密度要求更薄的繞組絕緣。Hiep Nguyen 設(shè)計(jì)的用于船舶推進(jìn)電機(jī)定子絕緣的耐放電 EP/黏土納米復(fù)合材料用于高扭矩大電流密度電機(jī)，通過(guò)采用納米復(fù)合材料將云母絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)從 0.25 W/m·K 提高到 0.7 W/m·K，無(wú)需設(shè)備重新設(shè)計(jì)，即可實(shí)現(xiàn)扭矩密度 14%的大幅度提高。繞組和磁芯的傳熱效率差，也限制了電機(jī)和發(fā)電機(jī)的功率密度。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Weijun Yin 利用高性能 AlN 陶瓷復(fù)合介質(zhì)涂層用于電機(jī)和發(fā)電機(jī)。陶瓷涂層的導(dǎo)熱性和溫度穩(wěn)定性大大高于常規(guī)材料，可以直接應(yīng)用于磁芯上作為縫隙絕緣，通過(guò)電泳沉積(EPD)將其包覆在銅導(dǎo)體上作為繞組絕緣。與傳統(tǒng)的槽襯和繞組絕緣相比，銅繞組和定子/轉(zhuǎn)子鐵芯之間的熱阻可降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)熱能力是傳統(tǒng)材料的 10 倍，具有優(yōu)異的介電性能和耐熱性，在-54℃至 250℃的極寬溫度范圍內(nèi)多次循環(huán)測(cè)試仍能保持電機(jī)性能，這可使電機(jī)功率密度至少提高 50%。EP 由于價(jià)格便宜、電熱力學(xué)性能好，在各領(lǐng)域已經(jīng)廣泛使用，特別是作為絕緣材料在電機(jī)和設(shè)備中的應(yīng)用占很大的比例。但純 EP 熱導(dǎo)率差，電機(jī)工作時(shí)繞組內(nèi)溫度高，導(dǎo)致絕緣劣化，絕緣使用時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期壽命。在 EP 中加入微米或納米填料使得材料熱導(dǎo)率提高這種改進(jìn)可使定子繞組的溫度降低，有效緩解了繞組絕緣熱老化問(wèn)題，機(jī)器效率提升延長(zhǎng)使用壽命，在相同負(fù)載下絕緣材料使用更少，減小了電機(jī)體積和重量。4.3 航天航空領(lǐng)域?qū)?/strong>航空航天飛行器中包含著先進(jìn)高功率、復(fù)雜、小尺寸的電子器件，電子器件有效載荷承受著越來(lái)越大的熱負(fù)擔(dān)。同時(shí)由于飛行器通常會(huì)在極端環(huán)境下工作，航天材料需要具備高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、高模量、耐化學(xué)性和不燃性，圖12 總結(jié)了航天應(yīng)用中常用的導(dǎo)熱聚合物。圖 12 航天應(yīng)用導(dǎo)熱聚合物摩擦和導(dǎo)熱是影響航空飛機(jī)制動(dòng)部件的兩個(gè)重要因素，所用材料需是韌性好、摩擦系數(shù)以及高導(dǎo)熱性能的輕質(zhì)聚合物。Mengbo Qian 在聚酰胺 6(PA6)中加入碳化硅晶須(SCWS)作為增強(qiáng)劑，添加 2%的SCWS 使 PA6 的拉伸強(qiáng)度提高 37.6％(58.2 MPa)。同時(shí)，斷裂伸長(zhǎng)率是純 PA6 斷裂伸長(zhǎng)率的五倍以上(約280％)，斷裂韌性提高了七倍左右。此外，添加 30％的 SCWS 將摩擦系數(shù)從 PA6 的 0.31 降低到 0.15，極大改善了抗磨性能。機(jī)械和抗磨性能的顯著改善主要?dú)w因于 SCWS 的高剛度以及與 PA6 基質(zhì)的強(qiáng)界面相互作用，在航空航天和汽車(chē)應(yīng)用中生產(chǎn)先進(jìn)的齒輪和軸承零件具有廣闊的前景。碳納米管由于獨(dú)特的性質(zhì)，作為航空航天復(fù)合材料的組成部分被廣泛研究。CNT 復(fù)合材料正逐步被考慮應(yīng)用于電子記憶機(jī)械設(shè)備中，垂直排列的碳納米管以及其他材料相互配合，組成良好的導(dǎo)熱系統(tǒng)。Lin Jing 通過(guò)在 CNT 外層封裝氮化硼納米管(BNNT)，證明了垂直排列的碳納米管陣列的導(dǎo)熱系數(shù)提高了近 2 倍(從約 15.5 W/m·K 增至 29.5 W/m·K)，同軸 BNNT 和 CNT 增強(qiáng)了導(dǎo)熱，外部 BNNT 充當(dāng)了附加的導(dǎo)熱路徑，而不會(huì)損害內(nèi)部 CNT 的導(dǎo)熱性，為后續(xù)研究垂直排列的碳納米管高定向?qū)崽盍咸峁┝诵滤悸?。Trompeta 設(shè)計(jì)了多壁碳納米管/EP 復(fù)合材料，通過(guò)滲流理論研究填充含量對(duì)復(fù)合材料電導(dǎo)率、熱穩(wěn)定性以及納米力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)多壁碳納米管填充 3%時(shí)，可在 EP 中均勻分散，并且在此臨界濃度下復(fù)合材料的絕緣性能最好。由于多壁碳納米管是高結(jié)晶度結(jié)構(gòu)，隨著填料的增多，EP 復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)，但會(huì)使納米力學(xué)性能受到很大影響，其抗拉強(qiáng)度和彈性性能明顯減弱。多壁碳納米管是一種高導(dǎo)熱材料，為了更好的控制滲流閾值，提高填料和基體的相容性，還可以從將多壁碳納米管功能化方面考慮，提高多壁碳納米管的填充量，使其應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域中。總之，在航天領(lǐng)域很多熱管理技術(shù)仍需突破，性能優(yōu)異的新材料以及界面設(shè)計(jì)對(duì)器件的性能會(huì)產(chǎn)生顯著的影響，例如二維材料以及人造金剛石材料的出現(xiàn)為下一代航天導(dǎo)熱材料提供了新的選擇，垂直排列的碳納米管以及金屬納米線復(fù)合材料，使導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料又提升了一個(gè)高度，有望廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)域電子產(chǎn)品封裝。新一代飛機(jī)、旋翼機(jī)、無(wú)人機(jī)和導(dǎo)彈在視覺(jué)和熱特性、輕量化、速度提高和機(jī)動(dòng)性等方面的需求刺激了對(duì)先進(jìn)材料和系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。納米碳材料是理想的候選者，可集成在不同的技術(shù)中，通過(guò)界面處理等改性達(dá)到所需性能。但納米碳材料也有一些問(wèn)題，例如如何提高填充體積、如何大規(guī)模生產(chǎn)、如何使得復(fù)合材料粘結(jié)性增強(qiáng)等問(wèn)題，解決上述問(wèn)題將有效推動(dòng)聚合物/納米碳復(fù)合導(dǎo)熱絕緣材料在航空航天工程領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

4.4 LED 導(dǎo)熱墊片LED 因高流明效率和長(zhǎng)壽命成為通用照明的主要光源，但 LED 在工作過(guò)程中產(chǎn)生大量熱嚴(yán)重縮短LED 的壽命。LED 與散熱器之間的 TIMs 的高導(dǎo)熱性是 LED 散熱的關(guān)鍵因素，有效的散熱保證了 LED 的穩(wěn)定運(yùn)行。據(jù)研究，LED 的工作溫度每上升 10℃，效率就會(huì)減少 10%，使用時(shí)間也會(huì)相應(yīng)折損 5%，故結(jié)合高導(dǎo)熱 TIMs 設(shè)計(jì)良好的熱管理系統(tǒng)至關(guān)重要。LED 熱管理系統(tǒng)由 TIMs 以及散熱器組成。通常散熱器由銅鋁組成，而 TIMs 通常是硅脂或或其復(fù)合材料，但隨著功率的提高，硅脂基體越來(lái)越難以滿足條件。Minh Canh Vu 將 10 mm 的剝離氟化石墨烯膜(EGF)作為散熱襯底和 TIMs，對(duì)大功率 LED 進(jìn)行散熱，與商業(yè) PI 薄膜(0.3 W/m·K)作為柔性基片和商業(yè)熱墊 5000S35(5 W/m·K)作對(duì)比，表現(xiàn)出優(yōu)異的面內(nèi)熱導(dǎo)率(242 W/m·K)和平面熱導(dǎo)率(21.8 W/m·K)，在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下 EGF 薄膜散熱溫度明顯低于上述兩種商業(yè)材料(圖 13)。同時(shí)該材料表現(xiàn)出來(lái)的柔韌性也是其他材料無(wú)可比擬的。
圖 13 LED 導(dǎo)熱墊片實(shí)驗(yàn)結(jié)果在此基礎(chǔ)上，Minh CanhVu 又以垂直排列-氧化石墨烯(VA-GO)支架在氬氣環(huán)境中還原為 VA-石墨烯支架，隨后通過(guò)模板輔助化學(xué)氣相沉積方法轉(zhuǎn)化為 VA-SiC 片狀支架，EP 被填充在 3D 骨架空白區(qū)域以制備復(fù)合材料。在 3.71%的SiC 片含量下具有 14.32 W/m·K 的超高穿透平面熱導(dǎo)率，形成了更有序的互連熱傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)。將相同厚度VA-SiC/EP復(fù)合材料與商業(yè)導(dǎo)熱墊 5516(熱導(dǎo)率為 3.1 W/m·K)比較，在相同的測(cè)試環(huán)境下，運(yùn)行 20分鐘后，使用導(dǎo)熱墊 5516 和 VA-SiC/EP 復(fù)合材料時(shí) LED 模塊的溫度分別升高到 141℃和 116℃，VA-SiC/EP 復(fù)合材料的模塊在冷卻過(guò)程中在 20 分鐘內(nèi)恢復(fù)到室溫，而 5516 的模塊在 30 分鐘內(nèi)恢復(fù)到相同狀態(tài)，表明VA-SiC/EP 復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)優(yōu)越性。隨著對(duì)材料微觀內(nèi)部研究的深入，低成本、輕質(zhì)靈活、耐腐蝕的高導(dǎo)熱柔性新材料將陸續(xù)被開(kāi)發(fā)，從而可篩選設(shè)計(jì)出針對(duì)某一工況特征的導(dǎo)熱絕緣材料，有望成為 LED 的最終熱管理解決方案。4.5 電池包基于相變材料導(dǎo)熱現(xiàn)如今電動(dòng)汽車(chē)快速發(fā)展，高能量密度、快速充放電都是市場(chǎng)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電池提出的更高要求。然而，在增加能量密度、縮短充電時(shí)間的同時(shí)，電池會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，影響電池效率和壽命，甚至有自燃的危險(xiǎn)，危害財(cái)產(chǎn)和人身安全；同時(shí)，電池包內(nèi)溫度分布不均勻會(huì)破壞電子平衡，減少功率輸出，因此在不斷增加電池組數(shù)量和重量的情況下，如何快速散熱一直是困擾電動(dòng)汽車(chē)電池的一個(gè)難題。目前，大多數(shù)研究是基于相變材料(PCM)配合其他組件來(lái)設(shè)計(jì)電池包熱管理系統(tǒng)，電池的溫度可以長(zhǎng)期保持在相變溫度附近范圍內(nèi)，而且基于相變材料的設(shè)計(jì)具有較為強(qiáng)大的散熱能力以及緊湊的結(jié)構(gòu)。Ling 等人優(yōu)化了基于相變材料熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，將電池組直接插入 PCM@EG 復(fù)合材料中，配合傳統(tǒng)液冷系統(tǒng)使用。相比之下，該混合導(dǎo)熱系統(tǒng)不僅效率高，而且重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靈活適應(yīng)任意形狀的電池。同時(shí)，這種設(shè)計(jì)有助于節(jié)省高達(dá)94.1%的 PCM質(zhì)量和高達(dá) 55.6%的體積，降低成本。雖然上述設(shè)計(jì)較傳統(tǒng)液冷系統(tǒng)性能大幅度的提升，但液冷系統(tǒng)的安全性能以及龐大體積還是不容忽視。因此，目前熱管理系統(tǒng)研究的主流是 PCM 配合熱管使用，可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)的散熱能力，同時(shí)縮小系統(tǒng)體積，減少成本。Nandy Putra 利用RT44HC 相變材料以及熱管作為電動(dòng)汽車(chē)電池被動(dòng)冷卻系統(tǒng)，RT44HC 相變材料較低的熔化溫度，可以使得系統(tǒng)工作時(shí)吸收傳遞更多的熱量，保證電池組內(nèi)部的溫度平衡。模擬實(shí)驗(yàn)證明該熱管理系統(tǒng)可以使電池組表面溫度降低 33.2℃，相較于未使用相變材料的系統(tǒng)(最高可降低26℃)，性能提高了30%左右。除此之外，Wu 進(jìn)一步簡(jiǎn)化了熱管輔助 PCM 的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，他們將熱管轉(zhuǎn)移至電池組內(nèi)部，有效增大了導(dǎo)熱界面。工作過(guò)程中，電池內(nèi)部熱量被 PCM 吸收傳至熱管，然后通過(guò)熱管的蒸發(fā)段傳導(dǎo)到冷凝器段。一方面，由于添加了高熱導(dǎo)率的 EG，復(fù)合 PCM 的熱導(dǎo)率比純 PCM 的熱導(dǎo)率高約 30 倍，另一方面，熱管增加了導(dǎo)熱界面，進(jìn)一步提高了PCM@EG 復(fù)合材料的吸熱率，并將電池組的熱量排出到外部環(huán)境中?？傊岣邿峁芾硐到y(tǒng)的散熱性能，需要合理的結(jié)構(gòu)和高導(dǎo)熱 PCM 的相互配合，才能保證熱量快速地從電池內(nèi)部排到冷卻介質(zhì)中。然而，由于缺乏成本效益和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，相變材料難以大范圍使用。作為熱管理系統(tǒng)中的被動(dòng)冷卻方式，系統(tǒng)工作難以控制，且被動(dòng)冷卻系統(tǒng)都是和電池箱殼連接在一起的，損壞后難以更換，這對(duì)設(shè)計(jì)工藝和后期維修無(wú)疑是巨大的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在對(duì)電動(dòng)汽車(chē)熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仍處于研究階段，雖然已經(jīng)有成熟的冷卻系統(tǒng)投入使用，但也存在著體積大、成本高以及水冷導(dǎo)致的安全隱患問(wèn)題，對(duì)主動(dòng)冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)仍是主要攻克的問(wèn)題。熱傳導(dǎo)聚合物復(fù)合材料為電池組熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)辟了一扇新的窗口，結(jié)合設(shè)計(jì)的導(dǎo)熱系統(tǒng)，可有效促進(jìn)電池組的導(dǎo)熱散熱，提高安全性能。二者該怎樣結(jié)合是未來(lái)需要著重考慮的問(wèn)題。

05結(jié)論與展望熱傳導(dǎo)是一種不定向傳播方式，聚合物基復(fù)合導(dǎo)熱材料填料的縱橫比以及尺寸、直徑和比表面積尤為重要。從一般的角度來(lái)看，似乎對(duì)于這些參數(shù)中的每一個(gè)越高越好。然而，在某些情況下納米材料并不一定是適用的，例如未改性的納米填料比表面積大，界面相容性較差，填料/基體張力大，使得填料容易聚合，反而不利于熱導(dǎo)率提高，同時(shí)界面增多使得界面積累電荷加劇，極化增強(qiáng)，復(fù)合材料的絕緣性能降低。其次，通過(guò)處理填料/基體界面來(lái)降低熱阻也可有效提高聚合物熱導(dǎo)率。但以往工作表明，填料界面功能化是一把雙刃劍，可增加填料/基體界面的熱導(dǎo)率，也可降低填料的固有熱導(dǎo)率。而目前界面功能化的挑戰(zhàn)是確定如何在不損失填料固有熱導(dǎo)率的情況下降低界面熱阻。除此之外，處理方法也非常重要，尤其是在粘度和樣品孔隙率方面。正如本文第三部分對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所述，設(shè)計(jì)三維導(dǎo)熱填充結(jié)構(gòu)可有效的提升復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，同時(shí)對(duì)材料力學(xué)性能也有所改進(jìn)，例如拉伸強(qiáng)度、熱膨脹以及柔韌性等。在復(fù)合材料中，各向異性納米填料的排列將直接影響熱導(dǎo)率，其在填料排列方向上顯著提高。但實(shí)際上，大體積的三維結(jié)構(gòu)加工相對(duì)困難，特別是對(duì)于工業(yè)規(guī)?；瘧?yīng)用，材料的結(jié)構(gòu)和幾何方面的研究在未來(lái)仍是重點(diǎn)。在電子封裝、電子繞組絕緣等領(lǐng)域，如何高效導(dǎo)熱是關(guān)鍵瓶頸問(wèn)題之一，并且隨著設(shè)備功率的逐漸提高，這一問(wèn)題將更為突出。設(shè)計(jì)高導(dǎo)熱絕緣材料配合熱管理系統(tǒng)，是解決這一問(wèn)題的重要策略。因此，設(shè)計(jì)高導(dǎo)熱復(fù)合材料仍是未來(lái)需要關(guān)注的對(duì)象，未來(lái)可在以下幾個(gè)方面繼續(xù)深入研究：1）結(jié)合理論仿真和實(shí)際更深入了解聚合物復(fù)合材料微觀導(dǎo)熱機(jī)理。盡管目前對(duì)材料的內(nèi)部導(dǎo)熱機(jī)制研究較多，但還是缺乏統(tǒng)一、細(xì)致的理論模型，需系統(tǒng)的從更微觀角度揭示材料導(dǎo)熱機(jī)理。只有理解材料的深層導(dǎo)熱機(jī)制，明確影響導(dǎo)熱特性的關(guān)鍵參數(shù)和作用規(guī)律，才能設(shè)計(jì)出高性能導(dǎo)熱絕緣材料。當(dāng)下在理論計(jì)算和原位表征技術(shù)的最新進(jìn)展可作為研究這一問(wèn)題的重要工具。2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更有益于提升聚合物復(fù)合材料導(dǎo)熱絕緣特性。如今電子設(shè)備快速發(fā)展，單使用高導(dǎo)熱填料已經(jīng)不能滿足大功率器件的要求。通過(guò)設(shè)計(jì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，可以有效地提升材料導(dǎo)熱性能，同時(shí)對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能等也會(huì)產(chǎn)生積極地影響。但目前仍缺乏指導(dǎo)高性能導(dǎo)熱絕緣材料的設(shè)計(jì)原則，且缺乏適合規(guī)?；母咝е苽浼夹g(shù)。3）繼續(xù)探究新型高導(dǎo)熱絕緣材料。商業(yè)領(lǐng)域主要使用硅材料，優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性能使其在導(dǎo)熱領(lǐng)域應(yīng)用多年，但隨著電子器件大功率化、微體積化，這種熱傳導(dǎo)材料已經(jīng)不能滿足器件的使用要求。目前比較有潛力的材料是碳填充復(fù)合材料（如石墨烯）。雖然填充碳材料會(huì)提高聚合物的電導(dǎo)率，但其導(dǎo)熱性能也能得到顯著提高，且當(dāng)填充達(dá)到閾值前，復(fù)合材料仍能保持良好的絕緣性能。同時(shí)碳復(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，例如較好的柔韌性、較高的拉伸強(qiáng)度以及較高的玻璃轉(zhuǎn)化溫度等，使碳復(fù)合導(dǎo)熱絕緣材料在未來(lái)應(yīng)用更加廣闊。但由于其較差的界面潤(rùn)濕性和成本等問(wèn)題，將其運(yùn)用到實(shí)際中仍是挑戰(zhàn)。4）實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品到商品的轉(zhuǎn)化。由于大部分聚合物復(fù)合材料仍處于研究階段，實(shí)驗(yàn)室通常不考慮材料成本，實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)要求比較嚴(yán)格，還存在著隨機(jī)誤差等因素影響樣品性能的可重復(fù)性。除此之外，在商業(yè)化的道路上，還要綜合考慮適用性、壽命以及效率等其它問(wèn)題。因此高性能導(dǎo)熱絕緣材料的實(shí)際應(yīng)用仍需努力。在過(guò)去十年中，研究人員使用有機(jī)基復(fù)合材料達(dá)到與金屬相當(dāng)?shù)臒釋?dǎo)率，且碳纖維在復(fù)合材料中取得了巨大進(jìn)展，使用微米和納米顆粒也取得了一些令人鼓舞的結(jié)果。但目前仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，例如如何充分利用高導(dǎo)電填料(如石墨烯、碳納米管和石墨)的固有熱導(dǎo)率并獲得盡可能接近理論值的性能。導(dǎo)熱絕緣材料在現(xiàn)代科技發(fā)展中是至關(guān)重要的一環(huán)，未來(lái)還需要繼續(xù)研發(fā)高性能的導(dǎo)熱絕緣材料，降低設(shè)計(jì)成本并簡(jiǎn)化制作流程，才能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用的終極目標(biāo)。