目前在微電子器件封裝、電氣電工絕緣設備、航空航天、換熱與采暖工程、發光二極管(LED)照明等領域，聚合物導熱復合材料對于電子封裝等散熱設計有著關鍵作用。導熱聚合物復合材料通常會添加金屬、碳及陶瓷等高導熱填料來增強性能，在三類填充型導熱聚合物中，金屬粉填充型聚合物除具有導熱性能外，還具有導電、電磁屏蔽及其他功能，在工業上已經得到廣泛應用。

導熱銀粉

金屬晶體內部存在著大量自由電子，金屬粒子在基體樹脂內形成導熱網絡結構 或路徑時，借助自由電子及聲子振動可以提高聚合物的導熱性能。金屬粉的電導率、熱導率及成本是決定其工業應用的主要因素，目前，Cu、Ag、Al、Zn等廣泛應用于制備導熱聚合物。填料的種類及性能、形狀、粒徑大小、用量、填料改性對其在聚合物中的分布、分散及導熱網絡或通路的構建及最終體系的熱導率有明顯影響。

金屬導熱填料的種類及性能

1.Au具有優良的電導率和熱導率，卓越的抗氧化性，因其成本太高僅在極少場合 使用。

2.Ag使用較多，Ag的熱導率為420W/(m·K)，化學穩定性高，延展性好，聚合物/Ag漿料主要用于導電及導熱場合電子元器件的黏接，替代焊接工藝，簡化組裝工藝及成本。

3. 相比于貴金屬，Cu價格適中，熱導率約為388W/(m·K)，是工業上應用最廣泛的導電導熱材料，例如用于制作導管材料、電腦內部零件材料、以及各種對導熱性要求高的儀器等材料。

4.Al的熱導率約為200W/(m·K)，室溫下Al粉表面存在5~8nm的非晶氧化鋁絕緣層，絕緣層越薄，Al粉的熱導率越高，Al粉的直徑越大，氧化鋁層越厚，改變氧化鋁厚度可有效調控核殼Al粉及聚合物復合材料的熱導率及電性能。Al粉成本相對低廉，主要用于制備導熱聚合物涂料、膠黏劑及復合塑料，如聚丙烯(PP)/Al復合塑料用于制造暖氣片殼體，替代金屬暖氣片，提高了耐腐蝕性，降低成本。

導熱塑料暖氣片

5.Zn粒子表面易于自氧化形成無定形堿式碳酸鋅絕緣層，有效防止了Zn粒子間的 接觸，顯著降低了介電損耗；高溫下堿式碳酸鋅分解生成氧化鋅晶體，得到ZnO@Zn核殼粒子。絕緣氧化層使得核殼結構的Al、Zn粒子/聚合物在高填料用量時同時具有高熱導率、高介電常數和低損耗特性，可用于熱界面材料及儲能薄膜電容器。

6.Sn的熔點低，約為231.9℃，熱導率為61.7W/(m·K)，較少應用于導熱聚合物。

7.Ni、Fe填充聚合物具有一定的導熱和磁性能，常用于對磁性能有要求的導熱場合。

電磁爐專用導磁導熱片

金屬粉的形狀及粒徑影響

金屬粉的形狀及粒徑大小影響其在聚合物中的分布和粒子間堆積方式，從而影響在聚合物內部構筑導熱道通的能力，影響其導熱及其他性能。

1.金屬粒子形狀

相比于零維球形粒子，一維纖維或二維片狀金屬更易于在聚合物內形成接觸點，創造更多有利于聲子傳遞的導熱通路，有利于提高導熱性能。

例如Ag粉，Ag主要有球形和片狀２類，相比于球形粒子，片銀在基體中有更低的逾滲值，不同長徑比Ag納米線在聚合物內的導熱逾滲閾值不同，長徑比越大，閾值越小，從而可以降低復合材料中的填料含量。

片狀導熱銀粉

除Cu粉末外，有時還使用Cu纖維和超薄Cu片填充和增強聚合物，連續的一維纖維及二維銅片在聚合物內經不同形式分布排列，易于在低含量下形成相互連接，迅速改善熱導率；相比球形Al粒子，片狀Al粒子在基體中有較低的閥值，更能 提高聚合物的熱導率等。

2.金屬粒子粒徑

金屬粒子粒徑大小對聚合物復合材料熱導率的影響與其在基體內的分布、分散結構以及相互間的作用力對其空間分散結構的影響有關。

例如在EP/Al復合材料中，Al的粒徑越小，復合材料的硬度和尺寸穩定性越大，大粒徑EP/Al熱導率高于小粒徑體系的，因為大粒徑粒子和環氧界面間的熱阻較低。

金屬導熱填料的添加

高含量金屬填料不但成本高，還對體系的力學、加工及其他性能具有明顯的負面影響，因此，常采用一些特殊的加工手段來實現在較低含量下的高導熱及其他優異性能。

新型加工手段是目前實現較低填料用量下獲得高熱導率聚合物的關鍵。通過合理設計，在制備過程中使金屬粒子在聚合物內沿某方向采取定向分布排列，該方向可獲得極高的熱導率，常用誘導自組裝、形成核殼結構、控制粒子運動狀態、利 于粒子在共混組分內優先分布、電磁場輔助加工等方式實現導熱粒子的定向分布。

其中，制備核殼結構金屬粒子、中空金屬粒子、液體金屬是較受關注的方向。

1.核殼結構金屬粒子

為提高分散效果，降低成本，調控聚合物/金屬粒子體系的電性能及其他綜合性能，常使用核殼結構金屬粒子以發揮核殼結構彼此間的協同效應，可有效改善聚合物的熱導率、電性能及其他性能。

常將昂貴Ag粒子包覆于Al、Cu及聚合物等廉價粒子表面，形成以Ag為殼體的核/殼結構粒子，這是目前以貴金屬 Ag為原料制備導熱聚合物的一個重要途徑。目前，鍍銀Cu/Al粉末已成為一種很有前途的導電導熱填料。

銀包銅粉

主要是采用化學鍍的方法在Cu/Al粉末表面形成不同厚度的銀鍍層，該方法克服 了Cu/Al粉末易氧化、Ag粒子價格昂貴且易遷移的缺點，具有高導熱性、化學穩定性、不易氧化、生產成本低等優點。

Cu粉在高溫下易氧化，可涂覆保護層以維持Cu粉的高導電和導熱性。低熔點、無毒、非鉛的金屬鍍層可顯著提高Cu顆粒表面電導率和粘接強度；用鍍錫Cu粉填充PI及硅氧烷混合樹脂制得導熱膠可用于元器件與基板間粘接；Cu顆粒的 表面涂層可有效改善材料的電性能。

為提高聚合物/Al的擊穿強度和電阻，可在Al粒子表面沉積一層絕緣SiO₂，形成雙殼結構Al粒子，相比于單殼Al粒子，介電常數和介電損耗降低，熱導率有所下降，但擊穿強度和電阻增加，可靠性提升。相同含量下，相比于單一粒徑分布的Al粒子，混雜粒徑Al對體系熱導率及力學性能、電性能均有影響。

金屬鋁粉表面包覆納米SiO₂

2.中空金屬粒子、液體金屬

為有效減少填充聚合物的質量，使用中空金屬球粒子（如空心銅球粒子）在合適中空度時，所得聚合物材料具有和實心粒子體系相當的熱導率，但質量顯著減少，具有很高的比熱導率，這對在太空宇航及航空方面的應用具有極其重要的意義，也是填充型輕質導熱聚合物未來的重要發展方向。

中空結構粒子

當前，可穿戴電子及柔性電子的迅速發展對導熱聚合物提出了更苛刻的要求，目前制備的導熱聚合物無法滿足柔性電子的散熱需求，因為在明顯形變下體系的導熱性能迅速下降。傳統導熱粒子因不具備和彈性聚合物相當的大形變而不能滿足要求，硅彈性體/碳納米管具有部分低形變導熱能力。當前，采用鎵銦或鎵銦錫液體合金和PDMS或硅橡膠復合后，所得彈性體經高倍拉伸后，在拉伸方向上的熱導率成倍增加，源自于液體合金易于變形，沿拉伸方向在彈性體內經變形，形成了連續取向結構，為聲子傳遞鋪設了高速通道。這類硅彈性體/液體金屬合金導熱聚合物是可穿戴柔性電子的最佳散熱材料，是未來發展的重要方向。

液體金屬

參考來源：

1.聚合物/導熱金屬復合材料的研究進展，寇雨佳、周文英、龔瑩、蔡會武、吳紅菊（中國塑料）；

2.新一代高導熱金屬基復合材料界面熱導研究進展，常國、段佳良、王魯華（材料導報）。

粉體圈小吉

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