随着以高频、高速为特征的5G时代的到来和5G技术的日臻成熟，智能穿戴、无人驾驶汽车、VR/AR等各类无线移动终端设备、5G通信基站等正在得到大力地发展，其日益提升的散热需求对热界面材料要求也在不断提高。一方面电子技术的最新发展为热界面材料开拓了全新的应用领域，成为电子散热工程中不可或缺的重要材料；另一方面，电子产品的持续更新升级对产业链上相关的热界面材料提出了全新的性能要求和技术挑战。目前市场上常见的热界面材料有导热硅凝胶、导热垫片、导热硅脂、导热胶粘剂、导热胶带、相变化材料、焊接材料和碳基导热界面材料等，其中导热凝胶具有较高的导热系数和较低的压缩变形应力，容易操作，可实现应用时的可连续性自动化生产，因此逐渐受到重点关注。

导热凝胶的组成和特点

导热凝胶是一种凝胶状态的导热材料，通过把有机硅凝胶和导热填料复合在一起形成的一种具有导热性能的有机硅凝胶。其状态为“固液共存型”的特殊有机硅橡胶（直链状聚有机硅氧烷），由Si-O-Si键组成聚硅氧烷分子中的主链，其主要特性有：

（1）具有物理化学性质稳定，基本不受温度影响；

（2）能与大多数常见电子器件或其他材料的表面起到物理黏附，且固化过程中无副产物产生，无收缩；

（3）具备较好的自流平性，方便流入电路中微型组件间的细微之处；

（4）针对不同应用场景，可灵活调整凝胶的硬度、流动性、固化时间等性能，也可添加功能性填料，制备具有阻燃性、导电性或导热性的硅凝胶；

（5）自修复能力良好，受外力开裂后，具有自动愈合的能力，同时起到防水、防潮和防锈等作用等性能特点。

与其他常见热界面材料相比，它能解决导热硅脂性能可靠性差的问题，起到导热垫片的作用，且在某些性能方面，更优于导热垫片。

典型热界面材料的特点和优缺点

导热硅凝胶和导热垫片的比较

导热硅凝胶的性能提升方向

近几年，对导热硅凝胶的研究主要集中在如何提高导热性能，以及在保持足够导热性能的基础上，如何做到减少或避免渗油问题，增加在被贴基材上的密着力性能，以及在硬度、电气强度等方面的研究。

一、 导热性能的提升

硅橡胶材料本身是热绝缘体，通常通过两种方法来提高其导热性能：（1）改善硅橡胶的本征导热系数。如提高结晶度，利用声子在晶格中的传播导热。但该方法复杂、成本高，难以实现大规模的工业化生产。（2）在硅橡胶中加入具有较高导热系数的导热填料如氮化铝、氮化硼和碳纳米管等，制备填充型导热复合材料。该方法因易于加工成型和低成本而被广泛应用。

目前按照是否可导电，导热硅橡胶中使用的导热填料可分为导电型导热填料和绝缘型导热填料。导电型导热填料包括镍、铜、银和铝等金属颗粒及碳材料，主要通过声子和电子机制同时导热，因此导热系数较高。但随着导电性填料的加入，硅橡胶的电绝缘性能会降低，限制了应用领域。而绝缘型导热填料主要是金属和碳族元素的化合物，即使在高填充量情况下，电绝缘性能几乎不受影响，因此绝缘型硅橡胶复合材料在电子、电气领域的应用更广。

导热填料的类型及应用可详见往期文章：

1.无机导热填料在导热绝缘高分子材料中的应用

2.除了常规填料外，还有哪些特别的导热绝缘粒子？

3."导电胶"与"导热胶"有啥不同？

4.导热金属粉填料的类型及应用

二、渗油性改善

硅凝胶硫化后为固液共存的状态，交联密度较低（为加成型硅橡胶的1/10~1/5），使得制得的导热硅凝胶容易出现渗油的问题，从而污染电子器件，降低其长时间工作的可靠性，因此在提高有机硅树脂导热率的同时，需要避免渗油的产生。

导热硅凝胶的交联密度越大，其渗油量越小。这是因为交联密度大的导热硅凝胶体系中，更多的有机硅高分子相互反应和交联成完整的网络结构体系，流动性好、未交联树脂基本上不存在，因此减少了渗油量的产生。

不同交联密度导热硅凝胶的示意图

导热硅凝胶的流速和渗油率成正比，流速越大，渗油率越大；在硅油黏度保持不变时，随着导热填料的不断增加，导热系数增加，导热硅凝胶的流速出现明显的下降，渗油率也逐渐降低。对于吸油值较高的导热填料，其渗油率相对更低，另外通过改性后使导热填料和硅油的接触效果更好，就更利于构建导热通路，在保持较好的导热系数的同时，渗油率更低。

三、密着力性能改善

在某些应用场合，如电池模组的PET膜和铝合金之间对导热硅凝胶有一定的密着力性能要求。导热硅凝胶的密着力性能主要与胶体的黏性和本体强度相关，胶体的黏性决定了其在粘接界面上的粘接强度的大小，本体强度则决定了胶体本身被破坏时所需要的力，即通常所说的胶体的内聚力。

密着力大小取决于胶体产生的界面粘接力与本体内聚力中较小者。如果胶体的粘接力小于胶体本身被破坏时所需要的内聚力时，发生界面破坏，密着力大小主要取决于胶体的粘接力即黏性；如果胶体的粘接力大于胶体本身被破坏时所需要的内聚力时，发生内聚破坏，密着力大小主要取决于本体内聚力。

通过选择合适粘度的基础聚合物，调控交联剂中的氢含量、导热填料与基体的质量比等来改善导热凝胶的密着力。

总结

目前，导热硅凝胶仅限于有机硅基体与常见的导热粉体的共混复合，所得到的导热硅凝胶的综合性能欠佳，无法应用于高端领域。因此，需要从有机硅树脂本体、导热粉体以及本体和导热粉体复合等方面来提升导热硅凝胶的综合性能，如从有机硅基体的类型、分子量及其分布、黏度、比例等方面进行基体的设计，引入功能侧链等方式进行基体的改性，借助树枝状或大环形结构的含氢硅氧烷对基体进行交联度优化，对导热填料进行表面功能化，基体和导热填料复合时对填料的杂化处理等，这些都将成为导热硅凝胶研究的新方向。

参考来源：

1.导热硅凝胶的研究与应用进展，陈维斌（中国胶粘剂）；

2.新型导热凝胶材料在5G电子设备中的应用，赵志垒（数码设计）。

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