為了使導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料能夠迎合電子設(shè)備越來越嚴(yán)峻的散熱需求，研究人員對(duì)其導(dǎo)熱機(jī)理進(jìn)行了深入研究。作為當(dāng)前認(rèn)可度最高的一種聚合物材料導(dǎo)熱理論，導(dǎo)熱通路理論認(rèn)為導(dǎo)熱路徑的形成是由于聚合物基體中填料相互接觸而連接，熱流通過聲子沿著填料形成的導(dǎo)熱路徑或網(wǎng)絡(luò)傳遞，可以減少基體與填料之間的接觸面積。然而，一般來說，由于導(dǎo)熱填料和聚合物基體之間極性、表面基團(tuán)等的差異，利用傳統(tǒng)的共混方法，導(dǎo)熱粒子在聚合物中很難有效分散，導(dǎo)熱通路和網(wǎng)絡(luò)的形成存在一定的不可控性。因此通過預(yù)先構(gòu)筑導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)通路，再與聚合物基體進(jìn)行組裝的方式，引起了人們的關(guān)注。

填充型導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料內(nèi)部導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)示意圖

來源：向略,張葉琴,暴玉強(qiáng)等.電子封裝用導(dǎo)熱有機(jī)硅復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J].絕緣材料.

目前，導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)筑方式主要有溶膠-凝膠法、聚合物模板法、冷凍鑄造法以及聚合物微球-三維熱壓法等。

1.溶膠凝膠法

溶膠－凝膠法是用含高化學(xué)活性組分的化合物做前驅(qū)體，在液體中均勻混合，并進(jìn)行水解、縮合等化學(xué)反應(yīng)，在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠體系，緩慢聚合形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一種方法。通過溶膠-凝膠法構(gòu)筑導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)熱材料孔隙度的控制，并且構(gòu)筑出的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)填料分布較為均勻，不過由于界面連接處有著較弱的界面結(jié)合力，會(huì)產(chǎn)生較大聲子散射，三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也非常易碎，因此如何增強(qiáng)界面結(jié)合力是當(dāng)前迫切需要解決的問題之一。

溶膠凝膠法原理

來源：《空天領(lǐng)域氣凝膠研究與應(yīng)用進(jìn)展》裴雨辰,張晚林,李文靜等

2.聚合物模板法：

商用聚合物泡沫（例如三聚氰胺泡沫、聚氨酯（PU）泡沫等）具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如低密度、重量輕、超高孔隙率、成本低廉以及可制造性強(qiáng)等，因此被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的各種應(yīng)用中。在導(dǎo)熱領(lǐng)域，以聚合物泡沫作為模板，通過物理或化學(xué)的方法使填料沉積到模板的表面或孔洞中，可以保證填料與基體間可以相互貫通形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，達(dá)到充分發(fā)揮模板聚合物和導(dǎo)熱填料優(yōu)勢(shì)的目的。該方法的優(yōu)勢(shì)在于可以通過設(shè)計(jì)模板的材料和結(jié)構(gòu)，滿足實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下復(fù)合材料的性能要求和形態(tài)要求，為構(gòu)建高性能復(fù)合材料的三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)填充體系提供了一種可設(shè)計(jì)調(diào)控、簡(jiǎn)單易行、成本低廉的方法，具有應(yīng)用于新一代電子設(shè)備封裝的巨大潛力。

Wang等以三聚氰胺骨架為基體材料，通過層層組裝沉積氮化硼納米片（BNNS），有序互連的BNNS網(wǎng)絡(luò)提供了順暢的傳熱路徑，實(shí)現(xiàn)了在超低填料負(fù)載（1.1vol%）下導(dǎo)熱性能的顯著增強(qiáng)，同時(shí)還兼具良好的力學(xué)性能和優(yōu)異的電絕緣性。

3.冷凍鑄造法

冷凍鑄造法，又稱冰模板法。它利用水基（或其他溶劑）懸浮液的定向凝固作用，通過可控的冰晶生長(zhǎng)，使分散在溶液中的填料會(huì)被冰晶多排斥、逼近，形成了一層層狀、均質(zhì)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)顆粒的直接組裝，然后在低溫低壓的條件下，從凍結(jié)狀態(tài)不經(jīng)過液態(tài)而直接升華除去水分，保留三維導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)，最后加入一定的預(yù)聚物和固化劑，制備出具有良好導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的聚合物基復(fù)合材料。

冷凍鑄造法原理（來源：高分子物理學(xué)）

利用這個(gè)方法，可通過控制冷凍條件和懸浮液的組成（填料、溶劑、添加劑等），在多個(gè)長(zhǎng)度尺度上調(diào)整材料的結(jié)構(gòu)，獲得各種不同類型的微觀結(jié)構(gòu)，尤其針對(duì)具有各向異性的一維和二維填料，可實(shí)現(xiàn)填料的高度取向排布，具有靈活可控，適用性廣、便宜環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。但是目前也面臨著工藝制造周期長(zhǎng)、生產(chǎn)可重復(fù)性差、生長(zhǎng)尺寸有限、制備出的導(dǎo)熱骨架不穩(wěn)定等挑戰(zhàn)。

4.聚合物微球-三維熱壓法

聚合物微球-三維熱壓法是先將在聚合物微球的表面均勻包覆上其他物質(zhì)，形成“核-殼”結(jié)構(gòu)，再以其作為三維填料網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑的模板，在高溫下進(jìn)行熱壓，利用聚合物球的熔融過程實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的成型。利用該技術(shù)，填料會(huì)被隔離在聚合物微球之間，大大避免了填料的聚集問題，不僅降低了填料用量，導(dǎo)熱效果也得到了顯著提升。此外，3D熱壓法配合一維、二維填料的各向異性，還可以使網(wǎng)絡(luò)發(fā)生取向從而制備導(dǎo)熱各向異性復(fù)合材料。

Alam等提出了一種單步通用的方法來制備石墨烯/熱塑性復(fù)合材料，首先在聚合物微球上涂覆石墨烯（GNP），然后利用熱壓制備得到高導(dǎo)熱率的GNP/PP復(fù)合材料

小結(jié)

導(dǎo)熱粒子在聚合物基體中的分散性問題是限制聚合物基復(fù)合材料導(dǎo)熱提高的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。目前利用溶膠-凝膠法、聚合物模板法、冷凍鑄造法、聚合物微球-三維熱壓法等，可在不增加填料含量的情況下，增大填料之間的有效接觸，減小填料與聚合物之間的接觸面積，在不降低復(fù)合材料強(qiáng)度的前提下實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的可控構(gòu)筑。不過，目前大部分構(gòu)建的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)主要適合于制備聚合物前驅(qū)體為低粘度齊聚物或小分子的復(fù)合材料，且現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑方法往往工藝復(fù)雜，較難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化制備，因此未來還需要繼續(xù)開發(fā)出更具有普適性和工藝可行性的三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑技術(shù)。

參考文章：

1、江芳.氮化硼三維結(jié)構(gòu)構(gòu)筑對(duì)聚合物基導(dǎo)熱材料的性能影響及機(jī)理研究[D].上海大學(xué).

2、汪朝宇,郝智,申腙等.填料填充型聚合物基導(dǎo)熱材料的研究進(jìn)展[J].高分子通報(bào).

3、李京超.三維導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)筑及其橡膠復(fù)合材料研究[D].北京化工大學(xué).

4、李欣.氮化硼網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑對(duì)導(dǎo)熱復(fù)合材料性能的影響及應(yīng)用研究[D].浙江理工大學(xué).

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