隨著電子設備、新能源汽車、航空航天等領域對高效散熱需求的不斷增長，聚合物基導熱復合材料作為一種輕質且具備高導熱性能的材料，受到了廣泛關注。這類材料由聚合物基體和高導熱填料組成，其導熱性能的關鍵在于導熱填料是否能夠在基體中相互搭接，形成有效的導熱通路。

根據填料的形貌分類，導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現理想的導熱效果，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徑比，能夠更有效地搭接成導熱網絡。特別是纖維狀填料，憑借其高長徑比和線性結構，能夠在較低的填充量下，在復合材料內部形成連續的導熱網絡，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用于聚合物基導熱復合材料中，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率越高，復合材料的導熱率也就越高，同時，不同種類的導熱填料也各有其突出優勢，需根據特定應用進行選取。目前，常用的纖維狀導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芳烴的物質為原料制備而成的一種碳纖維，目前主要分為通用級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、高結晶度等結構特點，因而其導熱、力學性能都很好，導熱系數能達到800w/(m·K)以上，彈性模量能達到800GPa以上，能夠在較寬溫度范圍內快速有效地傳導熱量，目前常用于航空航天等高端領域的熱管理中，在保證強度的同時，為輕量化提供最優可能。。

②氮化硼纖維：氮化硼是一種具有大帶隙(5.2eV)的高導熱(2000W/(m·K))絕緣物質,有著和石墨烯類似的蜂窩狀原子結構，目前主要在高功率芯片導熱和封裝材料領域展現出巨大的應用前景，不過由于制備過程復雜，目前工藝尚不成熟，質量和性能可能會有較大波動，規模化應用仍存在挑戰。

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建而成的宏觀材料，其熱導率可以達到3500W/(m·K)，同時具有超高的機械強度、斷裂伸長能力和纖維柔性，不過存在高濃度難以均勻分散、規模化生產困難等情況。

④碳化硅晶須：碳化硅晶須是一種晶格缺陷少并有一定長徑比的單晶纖維，具有相當好的導熱性能、優異的力學性能、高強度和抗高溫性能，可需要高溫高強應用材質的增韌場合。如:航天材料、高速切削刀具等，有著極高的性能價格比。

2、優化填料分布

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，當其沿一個方向排列并形成有效接觸時，熱量能夠沿著纖維的長軸更有效地傳遞，該方向上的熱傳導性會大大提高。如果纖維是隨機分布的，則熱傳導路徑變得曲折，降低了整體的導熱效率。

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

①剪切取向法：填料與預聚體或者聚合物混合均勻后轉移至基板/載帶上，在刮涂或流延產生的剪切力作用下填料發生取向，固化成型后與基底剝離即得具有各向異性結構的復合材料薄膜。

BNNS/PVDF復合材料薄膜制備過程

②熱壓取向法：通過熱壓成型技術使復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冰晶誘導法：利用溫度梯度來影響和控制冰凍基元的運動過程，是溶劑沿著溫度梯度的方向定向生長，形成取向結構的冰晶，而后填料受到冰晶的排擠而沿著冰晶生長的方向取向排列，最后再通過干燥等步驟使冰晶升華。

冰晶誘導法原理

3、多維度協同復配

除了使纖維狀導熱填料定向排列外，還可將纖維狀導熱填料與其他維度導熱填料進行復配，從而構筑有效的導熱網絡。

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

纖維、球形填料復配構筑導熱路徑

相比采用定向排列導熱纖維的聚合物基導熱復合材料，多維度協同復配工藝較為簡單，同時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填料（如氧化鋁顆粒、玻璃纖維）結合使用，在不影響關鍵性能的前提下，降低材料成本，并利用不同維度材料的力學特性，顯著提升復合材料的機械性能。

4、控制纖維長度

在聚合物基復合材料中，導熱纖維的長度直接影響到復合材料的導熱性能、機械性能以及加工性能。較長的導熱纖維能夠提供更連續的熱傳導路徑，減少熱量傳遞過程中的斷點和曲折，從而提高導熱材料的導熱效率。同時，在機械性能上，長纖維能夠有效地傳遞和分散外加應力，為復合材料中提供更好的機械支撐，而短纖維雖然提供的熱傳導路徑較短，但其分散性好，能更均勻地分布在材料中，為復合材料提供更均勻的導熱性能。因此，在選制備聚合物基導熱復合材料時，應根據實際情況，控制好纖維填料長度。

5、填料表面改性

大多數導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熱填料不僅不易分散，而且不可避免地會產生基體-填料和填料-填料界面，導致界面處聲子振動頻率不匹配從而造成大量的聲子散射，使得導熱聚合物復合材料的熱導率遠低于預期值。因此，消除或減少界面引起的聲子散射是提高導熱聚合物復合材料導熱性能的關鍵。

通過對導熱填料表面進行改性處理，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共價鍵合。物理虛浮是通過靜電等非共價鍵作用將偶聯劑、表面活性劑等包覆在填料粒子表面；化學共價鍵合則是將長鏈分子或極性基團通過化學反應接枝在填料粒子表面。

硅烷偶聯劑改性原理

參考文獻：

1、奚啟清,楊志誠,姚深冬,等.高導熱纖維研究進展[J/OL].科學通報.

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