在人工智能时代，散热成为高算力、高集成度电子元器件的一大关键问题。只有选择合适的导热材料，才能有效将芯片工作时的热量及时散发出去，防止芯片因过热而性能下降或损坏。但是大多数情况下，高分子材料属于热的不良导体，需要使用导热填料或改变其分子结构、聚集态结构来改变其导热性能，从而制造出具有优良性能的聚合物材料。这两种方式虽然都可以实现改变聚合物的导热性能的目的，但后者的处理方法较为复杂，难以实现商业化，故常用向前者（聚合物基体中填充高导热填料颗粒的方式）来实现导热性能的提升。接下来，小编将聚焦几种常见的导热填料，着重介绍它们的导热机理及相关应用。

理想晶体与无定形聚合物的导热机理示意图（图源：文献4）

导热填料是一种添加到基体材料中以提高复合材料导热性能的填充材料，它们通常被添加到聚合物基体中，以改变纯聚合物的导热性能（导热系数一般低于0.5Wm^-1K^-1）。常见的导热填料主要包括金属类填料、碳类填料以及陶瓷填料。

1、金属类填料

金属类填料遵循着电子导热机理，具有高导热系数、热稳定性良好、电导率高、耐磨性好等优点。当其作为填料时，只要控制好添加的含量就可以很大程度上提高聚合物的导热性和介电性。但金属填料的密度通常较高，会增加最终复合材料的重量，对于便携式的电子设备来说具有一定的限制。在导热材料的使用过程中，存在需要导热材料同时具备较高的导热系数、良好的绝缘性的情况，而金属填料是电的良性导体，因此金属填料在使用中会受到一定的限制。在这种情况下，就可以选择使用金属的氧化物、碳化物、氮化物替代金属粉体作为导热填料，以保证在具备高导热系数的情况下，兼有高击穿电压和高绝缘性。常用于提高导热性的金属颗粒包括铜（Cu）、铝（Al）、银（Ag）、镍（Ni）。

导热机制：金属中具有大量的自由电子，这些自由电子在电场的作用下可以自由移动，当存在温度梯度时，自由电子会从高温区域向低温区域迁移，金属主要就是通过电子的运动和碰撞来传递热量。

应用：Qian等利用纳米银修饰硅藻土与聚乙二醇（PEG）共混制备一种高导热复合相变材料。当银纳米颗粒含量为7.2wt%时，复合相变材料的导热系数可提高到0.82Wm^-1K^-1（比PEG/硅藻土高约127%）。同时，该复合相变材料在200次冷热循环后，仍显示出优异的热稳定性和化学稳定性。Lu等通过一步法将导热填料Fe₃O₄纳米颗粒与石蜡共混制备复合相变材料，以增强石蜡的导热性。该研究发现，导热填料的加入使石蜡在固态时的导热系数提高了53%，在液态时导热系数提高了79%。

常温下常见金属填料的热导率（图源：文献1）

2、陶瓷类填料

陶瓷类填料大多具有良好的导热性、结构稳定性、绝缘性等优点，在电子封装领域具有独特的优势。然而，要获得这种具有显著增强导热性的陶瓷/聚合物复合材料，负载量通常会高于30vol%，有些复合材料甚至高达70vol%，这会导致复合材料的密度增加，韧性及加工性能降低。因此，在使用陶瓷类填料的时候，需要优化填料的比例、大小、形状，以达到不牺牲复合材料其他性能的前提下，实现所需性能的提升。常见的陶瓷填料包括氧化铝（Al₂O₃）、氮化硼（BN）、碳化硅（SiC）。

导热机制：陶瓷类填料的导热机制主要是声子导热，其中有部分陶瓷会使用光子传导、电子传导。声子是晶格振动引起的量子态，是固体热传导的主要载体，当陶瓷填料受到热激发时，晶格会振动产生声子，声子在材料内部传播过程中会与材料中的杂质、缺陷以及其他声波相互作用，从而实现热能的传递。

应用：Wie等将BN接枝到聚乙烯醇（PVA）表面后与聚乙二醇交联制备导热复合相变材料。使用该方法得到的相变材料导热系数为0.89Wm^-1K^-1，较原始聚乙二醇的导热系数提高约286%。Qian等将石蜡浸渍到有连续导热网络的氮化硼泡沫骨架中制备复合相变材料。其中含18wt%h-BN的复合相变材料的熔融潜热约为165.4±1.7J/g，导热系数高达0.85Wm^-1K^-1，大约是纯石蜡导热系数的6倍。

纯PVDF与AlN/PVDF复合材料的红外成像图（图源：文献2）

3、碳基填料

常见的碳基填料是由碳的一系列同素异形体构成的，包括碳纳米管（CNT）、碳纤维（CF）、炭黑、金刚石、石墨烯（GR）等。碳基填料普遍具有较低的密度、极高的热导率、耐热性及抗氧化性，在高热导率填充材料中极具应用前景。

导热机制：碳基填料的导热能力根植于其原子结构，它们受到碳-碳共价键间sp2杂化作用以及碳原子质量较小的特点，使得晶格振动可以高效的传递热量，因此声子成为导热的主要载体。

应用：Sun等将膨胀石墨掺入到聚乙二醇-氯化钙中制备复合相变材料。研究发现膨胀石墨之间相互连接形成连续的导热网络，能够有效降低材料的界面热阻，得到的复合相变材料导热能力显著提高。Sari等探究了碳纳米管（CNT）对聚乙二醇/原硅藻土（RD）复合相变材料导热性的影响。该研究制备的新型复合相变材料熔融温度约为7-8℃，相变过程中的熔融潜热在51.4-62.9J/g之间，加入碳纳米管后复合相变材料的导热系数提高了73%-93%。

膨胀石墨/聚酰亚胺复合材料的制备流程图（图源：文献5）

4、复合填料

研究发现，虽然单一填料可以形成导热网络，但是单一的填料往往难以在基体中完全分散，仍存在一些空隙。因缺陷、界面等因素引起的声子散射和填充量过高导致的加工困难，使得单一填料很难让复合材料达到理论热导率。然而，通过将不同形状、尺寸、类型的导热填料进行复配后，复合填料不仅可以有效减少聚合物基体中的空隙，构建完整的导热通路，还可以改善填料在聚合物基体中的分散性，为导热复合材料的设计提供了多种可能性。

应用：Song等采用一维碳化硅纳米线（SiCNWs）和二维还原氧化石墨烯（rGO）作为填料，采用冰模板组装策略实现了SiCNWs/rGO网络在垂直方向的定向排列，实现了低负载量下导热复合材料的垂直导热率的显著提升（2.74Wm^-1K^-1），可达到纯硅橡胶导热率的16倍。

不同维度填料间复配的协同作用（图源）

小结

导热填料在导热材料中具有举足轻重的地位，填料的种类、尺寸、含量、形状、比例、分布状态、取向、表面性质以及是否复配都会影响着材料的导热性能。只有合理选用填料以及成型工艺，才可以有效改善、优化材料的热管理，进而提升电子产品的可靠性、使用寿命，保障AI芯片的稳定运行。

参考文献：

1、李元哲.磁性碳纤维在氧化铝/硅橡胶导热垫片中取向排列及导热性能机制研究[D].上海师范大学.

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3、崔向红,王瑞琨,刘晓东,等.电子封装用环氧树脂基导热材料研究进展[J].化学工程师.

4、吴旭东.改性氮化硼/环氧树脂导热绝缘复合材料的制备与性能研究[D].浙江大学.

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