原來大自然的鬼斧神工

早已為超高導熱絕緣材料的研發

指明了方向

關于5G設備的發熱問題，之前聽說過這樣一個“路邊社”消息：

2015年，海內外的通訊巨頭們開始琢磨著把5G技術落地為商業化的產品。

但是熱仿真數據一出來把大家嚇了一跳！因為計算結果顯示，5G基站產生的“廢熱”比4G高出了整整300%！

這個問題讓通訊廠商們有些措手不及。

因為一直以來，市場上商業化做的比較好的導熱絕緣材料都很“佛系”的徘徊在5.0W/m.K左右。用在4G剛剛好，但是要說拿來為5G基站降溫就實在是差得太多了！

5G基站的熱仿真

（5Gtechnologyworld.com）

于是，就有廠商找到了英國曼徹斯特大學，委托他們研發出一款導熱率超過20W/m.K的超高導熱絕緣材料。

要說曼徹斯特大學來頭不小，這幾年炙手可熱的石墨烯就是他們率先分離出來的！因為這個成就曼大還獲得了2010年的諾貝爾獎！

曼徹斯特大學因石墨烯研究獲得諾貝爾物理學獎
（英國《衛報》）

所以當時大家都覺得，就憑這群頂尖科學家的理論功底，搞成這個事還不是信手拈來嗎！

結果誰都沒想到，數年后的今天，5G都已經普及了，但是用在5G基站上的凝膠和墊片卻依然徘徊在10.0W/m.K以下……

01—該死的“界面熱阻”

其實，單從導熱理論來看，好像把復合材料的導熱率提高幾瓦應該也不是個難事。

就以最為知名的Bruggeman導熱模型為例，只要向其中代入填料的導熱率、體積百分比等技術參數，就能預測出復合材料的導熱率大概是個什么水平！

Bruggeman導熱預測模型

(高填充改性復合材料導熱預測模型的建立及應用_王楊慧)

我們不妨用導熱率高達300W/m.K的氮化硼粉體為研究對象，觀察一下這個導熱模型會如何預測導熱率的變化。

主力導熱絕緣粉體材料

不出所料，Bruggeman模型預測出來的曲線弧度非常漂亮！尤其是氮化硼粉體的體積百分比一突破逾滲閾值，墊片的導熱率就開始飆升。

當添加量達到95%，墊片的導熱率甚至逼近了氮化硼本身的導熱率！想突破200W/m.K是妥妥的沒問題！

基于Bruggeman模型對氮化硼墊片的導熱率預測

(高填充改性復合材料導熱預測模型的建立及應用_王楊慧)

根據這個導熱模型的預測——只要不考慮“界面熱阻”，那么導熱填料加的越多，復合材料的導熱率就越高！

但是哪里不對吧！現實情況是材料科學家們連20W/m.K這種“小目標”都還沒搞定啊！

沒錯，問題就出在了當初被我們刻意忽略不計的“界面熱阻”！

Bruggeman導熱模型描述的情況是，在墊片內部，當氮化硼填料搭接起一條導熱的通路，熱量就會很順暢地從一邊傳導到另一邊。

只要沒有“界面熱阻”的干擾，墊片就像一塊熱量的“超導體”，可以非常高效的把熱量傳遞出來。

不考慮“界面熱阻”的理想導熱模型

但現實情況是，在導熱墊片的基材里面，氮化硼填料們根本不會聽話的均勻分散排列，只要湊到一塊必定扎堆團聚成N多小團簇！

如此一來原本順暢的熱量通路就被切斷！那么這種熱量傳導受到的阻斷就是所謂的“界面熱阻”！

現實中的“界面熱阻”

也正是這個原因，理論上可以突破200W/m.K的導熱墊片，在現實中連20W/m.K都做不到！這還真是“理論很豐滿，現實很骨感”。

那么，讓氮化硼的填料都按照我們的意圖均勻分散，真的就那么難嗎？

是的，就那么難！

02—難以調教的“白石墨烯”

如果看一下氮化硼的微觀結構，就會發現它和石墨烯怎么這么像！

氮化硼vs石墨烯的微觀結構（bing.com）

氮原子和硼原子共同構建出整齊的六邊形基本單位，然后橫向擴展成一張二維薄片！

氮化硼電子顯微鏡照片（bing.com）

這種與石墨烯非常相似的化學結構也讓氮化硼具有了堪比石墨烯的超高機械強度、超強熱穩定性！同時更是具備了陶瓷類導熱粉體頂級水平的導熱率！

于是，氮化硼就有了一個外號“白石墨烯”！

只不過成也蕭何敗也蕭何。如此完美的微觀結構也帶來了一個嚴重的“副產品”——材料表面的“惰性”！

因為氮化硼晶體的表面極少存在懸掛鍵和電荷陷阱，難以和其他物質反應，所以絕大多數高分子有機材料都不能很好地“浸潤”氮化硼！

再加上比表面積比較大，這就讓導熱復合材料中氮化硼填料的“團聚”問題更為突出！

12% 納米BN/硅橡膠復合材料斷面形貌圖（高導熱硅橡膠復合絕緣材料制備與綜合性能的研究_朱艷慧）

人才倒是人才，就是難以調教！

一籌莫展之際，倒是自然界的貝殼給材料學家們提供了一個很好的導熱模型！

03—學習貝殼好榜樣！29.8W/m.K！

貝殼之所以吸引了人們的注意，主要是因為兩個特征：

1）極高的無機粉體含量！

天然貝殼中的碳酸鈣微片含量超過了95%，但是仍然靠僅有的5%有機成分維持了很好的韌性。

2）無機粉體的取向排布！

碳酸鈣碎片沿著二維平面排布，形成了非常整齊規則的微觀結構。

貝殼無機粉體的取向排布

（基于微/納米結構單元的有序組裝制備高導熱復合材料_么依民）

這兩個特征套用到氮化硼的使用場景就是：

1）盡量提高氮化硼粉體的添加量，以期對沖掉相當一部分“界面熱阻”。正所謂質量不行數量補！

2）氮化硼微片如果也能實現這種取向排布，就可以讓熱量在二維方向橫向傳導。相對于無規則的粉體排布，也就變相減少了“界面熱阻”！

取向排布以減少“界面熱阻”（基于微/納米結構單元的有序組裝制備高導熱復合材料_么依民）

基于這個啟發，科學家們選擇了氧化石墨烯與氮化硼粉體進行搭配。

他們先對導熱粉體進行取向化處理，使得氮化硼以平躺的姿態延展排布；

再對氮化硼+氧化石墨烯復合材料的各項參數進行優化。

取向排布以減少“界面熱阻”

（基于微/納米結構單元的有序組裝制備高導熱復合材料_么依民）

最終在實驗室里做出了一個讓人非常振奮的導熱率—— 29.8W/m.K！

借鑒貝殼原理，實現突破20W/m.K導熱率
（基于微/納米結構單元的有序組裝制備高導熱復合材料_么依民）

那么問題來了，導熱率如此之高的復合材料，出了實驗室還能做出來嗎？

針對這個問題，中科院合肥物質研究院的田興友博士，發表了名為《氮化硼參雜石墨烯導熱材料在電子封裝領域的應用》的論文。

并且將于11月23/24日舉行的“2020全國導熱粉體材料創新發展論壇”上做主題演講，分享超高導熱絕緣復合材料領域最前沿的技術！

此外，一眾國內頂尖的導熱粉體材料及應用技術專家也將齊聚此次會議！當然，同樣歡迎您的蒞臨參與！

【報告及嘉賓】

1、球形氧化鋁粉體在導熱復合材料的應用研究

報告人：袁方利 研究員、博士生導師

單位：中科院過程工程研究所

2、六方氮化硼納米片的宏量制備及在導熱填料中的應用

報告人：毋偉 教授、博士生導師

單位：北京化工大學

3、氮化鋁粉體的改性及其作為導熱填料的應用

報告人：魯慧峰 博士、技術副總監

單位：廈門鉅瓷科技有限公司

4、新型導熱填料的制備及其聚合物界面熱阻研究

報告人：曾小亮 副研究員

單位：中國科學院深圳先進技術研究院

5、超細金剛石粉體在導熱膠領域中的應用

報告人：栗正新 教授、副院長

單位：河南工業大學材料學院

6、氮化硅粉體在導熱填料領域中的應用前景

報告人：崔巍 博士、總經理

單位：青島瓷興新材料有限公司

7、無機非金屬導熱粉體的復配及在膠黏劑中的應用

報告人：田麗權 副總經理

單位：佛山金戈新材料股份有限公司

8、各類導熱粉體材料的需求現狀及發展趨勢

報告人：魏東 總經理

單位：東莞東超新材料科技有限公司

9、氮化硼摻雜石墨烯導熱材料在電子封裝領域中的應用

報告人：田興友  研究員、博士生導師

單位：中科院合肥物質科學研究院

10、一種動力電池用導熱凝膠的制備及對導熱填料的要求

報告人：盧雄威 專家

單位：廣州回天新材料有限公司

11、立方碳化硅新材料及其在導熱填料中的應用

報告人：王曉剛 教授、博士生導師，原院長

單位：西安科技大學材料學院

12、氮化硼在熱管理方向的應用

報告人：王存國   銷售經理，陶瓷產品

單位：邁圖高新材料集團

13、5G無線充電智能設備對導熱材料的需求

報告人：劉偉生 高級工程師

單位：原就職于國內某知名消費電子公司

14、氧化鋁、石墨烯和氮化硼納米片等導熱粉體的應用研究

報告人：虞錦洪    研究員、博導

單位：中國科學院寧波材料技術與工程研究所

15、【征集發起】高導熱類球形氧化鋁研發與應用攻堅小組

發起人：孫志昂 教授、總工

單位：河南長興實業有限公司

（報告持續更新中）