隨著以高頻、高速為特征的5G時(shí)代的到來(lái)和5G技術(shù)的日臻成熟，智能穿戴、無(wú)人駕駛汽車(chē)、VR/AR等各類(lèi)無(wú)線(xiàn)移動(dòng)終端設(shè)備、5G通信基站等正在得到大力地發(fā)展，其日益提升的散熱需求對(duì)熱界面材料要求也在不斷提高。一方面電子技術(shù)的最新發(fā)展為熱界面材料開(kāi)拓了全新的應(yīng)用領(lǐng)域，成為電子散熱工程中不可或缺的重要材料；另一方面，電子產(chǎn)品的持續(xù)更新升級(jí)對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈上相關(guān)的熱界面材料提出了全新的性能要求和技術(shù)挑戰(zhàn)。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的熱界面材料有導(dǎo)熱硅凝膠、導(dǎo)熱墊片、導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱膠粘劑、導(dǎo)熱膠帶、相變化材料、焊接材料和碳基導(dǎo)熱界面材料等，其中導(dǎo)熱凝膠具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和較低的壓縮變形應(yīng)力，容易操作，可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用時(shí)的可連續(xù)性自動(dòng)化生產(chǎn)，因此逐漸受到重點(diǎn)關(guān)注。

導(dǎo)熱凝膠的組成和特點(diǎn)

導(dǎo)熱凝膠是一種凝膠狀態(tài)的導(dǎo)熱材料，通過(guò)把有機(jī)硅凝膠和導(dǎo)熱填料復(fù)合在一起形成的一種具有導(dǎo)熱性能的有機(jī)硅凝膠。其狀態(tài)為“固液共存型”的特殊有機(jī)硅橡膠（直鏈狀聚有機(jī)硅氧烷），由Si-O-Si鍵組成聚硅氧烷分子中的主鏈，其主要特性有：

（1）具有物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，基本不受溫度影響；

（2）能與大多數(shù)常見(jiàn)電子器件或其他材料的表面起到物理黏附，且固化過(guò)程中無(wú)副產(chǎn)物產(chǎn)生，無(wú)收縮；

（3）具備較好的自流平性，方便流入電路中微型組件間的細(xì)微之處；

（4）針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，可靈活調(diào)整凝膠的硬度、流動(dòng)性、固化時(shí)間等性能，也可添加功能性填料，制備具有阻燃性、導(dǎo)電性或?qū)嵝缘墓枘z；

（5）自修復(fù)能力良好，受外力開(kāi)裂后，具有自動(dòng)愈合的能力，同時(shí)起到防水、防潮和防銹等作用等性能特點(diǎn)。

與其他常見(jiàn)熱界面材料相比，它能解決導(dǎo)熱硅脂性能可靠性差的問(wèn)題，起到導(dǎo)熱墊片的作用，且在某些性能方面，更優(yōu)于導(dǎo)熱墊片。

典型熱界面材料的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)

導(dǎo)熱硅凝膠和導(dǎo)熱墊片的比較

導(dǎo)熱硅凝膠的性能提升方向

近幾年，對(duì)導(dǎo)熱硅凝膠的研究主要集中在如何提高導(dǎo)熱性能，以及在保持足夠?qū)嵝阅艿幕A(chǔ)上，如何做到減少或避免滲油問(wèn)題，增加在被貼基材上的密著力性能，以及在硬度、電氣強(qiáng)度等方面的研究。

一、 導(dǎo)熱性能的提升

硅橡膠材料本身是熱絕緣體，通常通過(guò)兩種方法來(lái)提高其導(dǎo)熱性能：（1）改善硅橡膠的本征導(dǎo)熱系數(shù)。如提高結(jié)晶度，利用聲子在晶格中的傳播導(dǎo)熱。但該方法復(fù)雜、成本高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。（2）在硅橡膠中加入具有較高導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱填料如氮化鋁、氮化硼和碳納米管等，制備填充型導(dǎo)熱復(fù)合材料。該方法因易于加工成型和低成本而被廣泛應(yīng)用。

目前按照是否可導(dǎo)電，導(dǎo)熱硅橡膠中使用的導(dǎo)熱填料可分為導(dǎo)電型導(dǎo)熱填料和絕緣型導(dǎo)熱填料。導(dǎo)電型導(dǎo)熱填料包括鎳、銅、銀和鋁等金屬顆粒及碳材料，主要通過(guò)聲子和電子機(jī)制同時(shí)導(dǎo)熱，因此導(dǎo)熱系數(shù)較高。但隨著導(dǎo)電性填料的加入，硅橡膠的電絕緣性能會(huì)降低，限制了應(yīng)用領(lǐng)域。而絕緣型導(dǎo)熱填料主要是金屬和碳族元素的化合物，即使在高填充量情況下，電絕緣性能幾乎不受影響，因此絕緣型硅橡膠復(fù)合材料在電子、電氣領(lǐng)域的應(yīng)用更廣。

導(dǎo)熱填料的類(lèi)型及應(yīng)用可詳見(jiàn)往期文章：

1.無(wú)機(jī)導(dǎo)熱填料在導(dǎo)熱絕緣高分子材料中的應(yīng)用

2.除了常規(guī)填料外，還有哪些特別的導(dǎo)熱絕緣粒子？

3."導(dǎo)電膠"與"導(dǎo)熱膠"有啥不同？

4.導(dǎo)熱金屬粉填料的類(lèi)型及應(yīng)用

二、滲油性改善

硅凝膠硫化后為固液共存的狀態(tài)，交聯(lián)密度較低（為加成型硅橡膠的1/10~1/5），使得制得的導(dǎo)熱硅凝膠容易出現(xiàn)滲油的問(wèn)題，從而污染電子器件，降低其長(zhǎng)時(shí)間工作的可靠性，因此在提高有機(jī)硅樹(shù)脂導(dǎo)熱率的同時(shí)，需要避免滲油的產(chǎn)生。

導(dǎo)熱硅凝膠的交聯(lián)密度越大，其滲油量越小。這是因?yàn)榻宦?lián)密度大的導(dǎo)熱硅凝膠體系中，更多的有機(jī)硅高分子相互反應(yīng)和交聯(lián)成完整的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系，流動(dòng)性好、未交聯(lián)樹(shù)脂基本上不存在，因此減少了滲油量的產(chǎn)生。

不同交聯(lián)密度導(dǎo)熱硅凝膠的示意圖

導(dǎo)熱硅凝膠的流速和滲油率成正比，流速越大，滲油率越大；在硅油黏度保持不變時(shí)，隨著導(dǎo)熱填料的不斷增加，導(dǎo)熱系數(shù)增加，導(dǎo)熱硅凝膠的流速出現(xiàn)明顯的下降，滲油率也逐漸降低。對(duì)于吸油值較高的導(dǎo)熱填料，其滲油率相對(duì)更低，另外通過(guò)改性后使導(dǎo)熱填料和硅油的接觸效果更好，就更利于構(gòu)建導(dǎo)熱通路，在保持較好的導(dǎo)熱系數(shù)的同時(shí)，滲油率更低。

三、密著力性能改善

在某些應(yīng)用場(chǎng)合，如電池模組的PET膜和鋁合金之間對(duì)導(dǎo)熱硅凝膠有一定的密著力性能要求。導(dǎo)熱硅凝膠的密著力性能主要與膠體的黏性和本體強(qiáng)度相關(guān)，膠體的黏性決定了其在粘接界面上的粘接強(qiáng)度的大小，本體強(qiáng)度則決定了膠體本身被破壞時(shí)所需要的力，即通常所說(shuō)的膠體的內(nèi)聚力。

密著力大小取決于膠體產(chǎn)生的界面粘接力與本體內(nèi)聚力中較小者。如果膠體的粘接力小于膠體本身被破壞時(shí)所需要的內(nèi)聚力時(shí)，發(fā)生界面破壞，密著力大小主要取決于膠體的粘接力即黏性；如果膠體的粘接力大于膠體本身被破壞時(shí)所需要的內(nèi)聚力時(shí)，發(fā)生內(nèi)聚破壞，密著力大小主要取決于本體內(nèi)聚力。

通過(guò)選擇合適粘度的基礎(chǔ)聚合物，調(diào)控交聯(lián)劑中的氫含量、導(dǎo)熱填料與基體的質(zhì)量比等來(lái)改善導(dǎo)熱凝膠的密著力。

總結(jié)

目前，導(dǎo)熱硅凝膠僅限于有機(jī)硅基體與常見(jiàn)的導(dǎo)熱粉體的共混復(fù)合，所得到的導(dǎo)熱硅凝膠的綜合性能欠佳，無(wú)法應(yīng)用于高端領(lǐng)域。因此，需要從有機(jī)硅樹(shù)脂本體、導(dǎo)熱粉體以及本體和導(dǎo)熱粉體復(fù)合等方面來(lái)提升導(dǎo)熱硅凝膠的綜合性能，如從有機(jī)硅基體的類(lèi)型、分子量及其分布、黏度、比例等方面進(jìn)行基體的設(shè)計(jì)，引入功能側(cè)鏈等方式進(jìn)行基體的改性，借助樹(shù)枝狀或大環(huán)形結(jié)構(gòu)的含氫硅氧烷對(duì)基體進(jìn)行交聯(lián)度優(yōu)化，對(duì)導(dǎo)熱填料進(jìn)行表面功能化，基體和導(dǎo)熱填料復(fù)合時(shí)對(duì)填料的雜化處理等，這些都將成為導(dǎo)熱硅凝膠研究的新方向。

參考來(lái)源：

1.導(dǎo)熱硅凝膠的研究與應(yīng)用進(jìn)展，陳維斌（中國(guó)膠粘劑）；

2.新型導(dǎo)熱凝膠材料在5G電子設(shè)備中的應(yīng)用，趙志壘（數(shù)碼設(shè)計(jì)）。

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