在人工智能時代，散熱成為高算力、高集成度電子元器件的一大關鍵問題。只有選擇合適的導熱材料，才能有效將芯片工作時的熱量及時散發出去，防止芯片因過熱而性能下降或損壞。但是大多數情況下，高分子材料屬于熱的不良導體，需要使用導熱填料或改變其分子結構、聚集態結構來改變其導熱性能，從而制造出具有優良性能的聚合物材料。這兩種方式雖然都可以實現改變聚合物的導熱性能的目的，但后者的處理方法較為復雜，難以實現商業化，故常用向前者（聚合物基體中填充高導熱填料顆粒的方式）來實現導熱性能的提升。接下來，小編將聚焦幾種常見的導熱填料，著重介紹它們的導熱機理及相關應用。

理想晶體與無定形聚合物的導熱機理示意圖（圖源：文獻4）

導熱填料是一種添加到基體材料中以提高復合材料導熱性能的填充材料，它們通常被添加到聚合物基體中，以改變純聚合物的導熱性能（導熱系數一般低于0.5Wm^-1K^-1）。常見的導熱填料主要包括金屬類填料、碳類填料以及陶瓷填料。

1、金屬類填料

金屬類填料遵循著電子導熱機理，具有高導熱系數、熱穩定性良好、電導率高、耐磨性好等優點。當其作為填料時，只要控制好添加的含量就可以很大程度上提高聚合物的導熱性和介電性。但金屬填料的密度通常較高，會增加最終復合材料的重量，對于便攜式的電子設備來說具有一定的限制。在導熱材料的使用過程中，存在需要導熱材料同時具備較高的導熱系數、良好的絕緣性的情況，而金屬填料是電的良性導體，因此金屬填料在使用中會受到一定的限制。在這種情況下，就可以選擇使用金屬的氧化物、碳化物、氮化物替代金屬粉體作為導熱填料，以保證在具備高導熱系數的情況下，兼有高擊穿電壓和高絕緣性。常用于提高導熱性的金屬顆粒包括銅（Cu）、鋁（Al）、銀（Ag）、鎳（Ni）。

導熱機制：金屬中具有大量的自由電子，這些自由電子在電場的作用下可以自由移動，當存在溫度梯度時，自由電子會從高溫區域向低溫區域遷移，金屬主要就是通過電子的運動和碰撞來傳遞熱量。

應用：Qian等利用納米銀修飾硅藻土與聚乙二醇（PEG）共混制備一種高導熱復合相變材料。當銀納米顆粒含量為7.2wt%時，復合相變材料的導熱系數可提高到0.82Wm^-1K^-1（比PEG/硅藻土高約127%）。同時，該復合相變材料在200次冷熱循環后，仍顯示出優異的熱穩定性和化學穩定性。Lu等通過一步法將導熱填料Fe₃O₄納米顆粒與石蠟共混制備復合相變材料，以增強石蠟的導熱性。該研究發現，導熱填料的加入使石蠟在固態時的導熱系數提高了53%，在液態時導熱系數提高了79%。

常溫下常見金屬填料的熱導率（圖源：文獻1）

2、陶瓷類填料

陶瓷類填料大多具有良好的導熱性、結構穩定性、絕緣性等優點，在電子封裝領域具有獨特的優勢。然而，要獲得這種具有顯著增強導熱性的陶瓷/聚合物復合材料，負載量通常會高于30vol%，有些復合材料甚至高達70vol%，這會導致復合材料的密度增加，韌性及加工性能降低。因此，在使用陶瓷類填料的時候，需要優化填料的比例、大小、形狀，以達到不犧牲復合材料其他性能的前提下，實現所需性能的提升。常見的陶瓷填料包括氧化鋁（Al₂O₃）、氮化硼（BN）、碳化硅（SiC）。

導熱機制：陶瓷類填料的導熱機制主要是聲子導熱，其中有部分陶瓷會使用光子傳導、電子傳導。聲子是晶格振動引起的量子態，是固體熱傳導的主要載體，當陶瓷填料受到熱激發時，晶格會振動產生聲子，聲子在材料內部傳播過程中會與材料中的雜質、缺陷以及其他聲波相互作用，從而實現熱能的傳遞。

應用：Wie等將BN接枝到聚乙烯醇（PVA）表面后與聚乙二醇交聯制備導熱復合相變材料。使用該方法得到的相變材料導熱系數為0.89Wm^-1K^-1，較原始聚乙二醇的導熱系數提高約286%。Qian等將石蠟浸漬到有連續導熱網絡的氮化硼泡沫骨架中制備復合相變材料。其中含18wt%h-BN的復合相變材料的熔融潛熱約為165.4±1.7J/g，導熱系數高達0.85Wm^-1K^-1，大約是純石蠟導熱系數的6倍。

純PVDF與AlN/PVDF復合材料的紅外成像圖（圖源：文獻2）

3、碳基填料

常見的碳基填料是由碳的一系列同素異形體構成的，包括碳納米管（CNT）、碳纖維（CF）、炭黑、金剛石、石墨烯（GR）等。碳基填料普遍具有較低的密度、極高的熱導率、耐熱性及抗氧化性，在高熱導率填充材料中極具應用前景。

導熱機制：碳基填料的導熱能力根植于其原子結構，它們受到碳-碳共價鍵間sp2雜化作用以及碳原子質量較小的特點，使得晶格振動可以高效的傳遞熱量，因此聲子成為導熱的主要載體。

應用：Sun等將膨脹石墨摻入到聚乙二醇-氯化鈣中制備復合相變材料。研究發現膨脹石墨之間相互連接形成連續的導熱網絡，能夠有效降低材料的界面熱阻，得到的復合相變材料導熱能力顯著提高。Sari等探究了碳納米管（CNT）對聚乙二醇/原硅藻土（RD）復合相變材料導熱性的影響。該研究制備的新型復合相變材料熔融溫度約為7-8℃，相變過程中的熔融潛熱在51.4-62.9J/g之間，加入碳納米管后復合相變材料的導熱系數提高了73%-93%。

膨脹石墨/聚酰亞胺復合材料的制備流程圖（圖源：文獻5）

4、復合填料

研究發現，雖然單一填料可以形成導熱網絡，但是單一的填料往往難以在基體中完全分散，仍存在一些空隙。因缺陷、界面等因素引起的聲子散射和填充量過高導致的加工困難，使得單一填料很難讓復合材料達到理論熱導率。然而，通過將不同形狀、尺寸、類型的導熱填料進行復配后，復合填料不僅可以有效減少聚合物基體中的空隙，構建完整的導熱通路，還可以改善填料在聚合物基體中的分散性，為導熱復合材料的設計提供了多種可能性。

應用：Song等采用一維碳化硅納米線（SiCNWs）和二維還原氧化石墨烯（rGO）作為填料，采用冰模板組裝策略實現了SiCNWs/rGO網絡在垂直方向的定向排列，實現了低負載量下導熱復合材料的垂直導熱率的顯著提升（2.74Wm^-1K^-1），可達到純硅橡膠導熱率的16倍。

不同維度填料間復配的協同作用（圖源）

小結

導熱填料在導熱材料中具有舉足輕重的地位，填料的種類、尺寸、含量、形狀、比例、分布狀態、取向、表面性質以及是否復配都會影響著材料的導熱性能。只有合理選用填料以及成型工藝，才可以有效改善、優化材料的熱管理，進而提升電子產品的可靠性、使用壽命，保障AI芯片的穩定運行。

參考文獻：

1、李元哲.磁性碳纖維在氧化鋁/硅橡膠導熱墊片中取向排列及導熱性能機制研究[D].上海師范大學.

2、田睿.AlN/PVDF介電復合材料結構及導熱性能研究[D].陜西科技大學.

3、崔向紅,王瑞琨,劉曉東,等.電子封裝用環氧樹脂基導熱材料研究進展[J].化學工程師.

4、吳旭東.改性氮化硼/環氧樹脂導熱絕緣復合材料的制備與性能研究[D].浙江大學.

5、趙君禹.基于聚酰亞胺基導熱復合材料的結構設計、制備及性能研究[D].吉林大學.

6、李欣.氮化硼網絡構筑對導熱復合材料性能的影響及應用研究[D].浙江理工大學.

粉體圈Alice