填充型聚合物基导热材料在聚合物基体中填充高导热填料，具有轻量化、易加工性、成本低廉等优势，在电子元器件中作为导热界面被广泛使用。不过随着摩尔定律的发展，电子元器件尺寸越来越小，结构越来越复杂，超高的热流密度也逐渐成为限制电子技术突破的瓶颈，因此对导热材料的性能也提出了更高的要求。

为了确保电路的可靠性和安全性，应用于电子元器件的填充型聚合物基导热材料往往采用绝缘性能较好的陶瓷粉体作为导热填料，但由于陶瓷填料的热导率相对较低，对于电子元器件散热性能的提升有限。而碳系填料因轻质、导热系数高等优点吸引了人们的关注，不过由于大多数碳系填料（如石墨、碳纳米管、石墨烯等）本身具有一定的电导性，应用于电子器件中必须对碳系填料进行适当的绝缘处理或者通过微观杂化结构的合理设计，提高导热材料的绝缘性能。

一、填料表面绝缘处理

1、聚合物封装

碳系材料的导热载体既可以是声子，也可以为电子，即使切断碳系材料中电子的热传导途径，声子仍可发挥导热载体的主导作用，其导热性能不会发生明显衰减。因此，这为碳系材料在绝缘导热领域的应用奠定了良好的理论基础。

多巴胺（DA）是一种与粘附蛋白类似的生物分子，在弱碱性条件下，易于氧化自聚合并在基底材料上形成具有粘附性的聚多巴胺（PDA）涂层 。基于此独特性质，可以利用 DA 封装碳系填料，形成绝缘 PDA 涂层，该PDA填料能够在抑制电传导的同时，还可改善杂化填料的界面相容性，提升填料分散效果。之后再通过无机盐模板法和溶液浸渍法等，在聚合物基体内部构建三维互连石墨烯网络，由于PDA 涂层没有影响碳系材料的晶格结构和声子传热途径，因此仍能够保证复合导热材料具有较好的导热性能。

2、陶瓷涂层处理

氧化镁（MgO）、二氧化硅（SiO2）和氧化铝（Al2O3）等陶瓷材料本身是一类具备较好导热性能的绝缘材料，因此在碳系填料表面进行陶瓷涂层处理也可保持碳系填料的高导热系数，同时实现其具有良好的绝缘性能，这也是绝缘导热填料表面处理的常用方法之一。不过由于两者之间的界面相容性差异，该技术难点在于如何在碳系填料的表面形成稳定和均匀分布的陶瓷绝缘层。

3、氟化处理

氟化技术是修饰和控制碳材料物理化学性质最有效的方法之一，其能够显著地改善碳材料的表面极性、电导性、吸附能力和电容性性能。通常，氟化的碳系填料性能随分子结构中的C/F原子的比值而异，比如禁带宽度随 F/C 摩尔比的增加而增加，氟化程度越高的碳系材料，其绝缘性能越好，完全氟化的碳系填料是绝缘体。因此，通过调节碳系填料的氟化程度，可以控制其绝缘性能。

典型氟化碳材料

不过，目前碳系材料主要采用氟气与碳系材料在一定温度下进行氟化，不仅可能会发生气体泄漏而污染环境，还存在爆炸风险，需要注意密封、安全等方面的问题，且对生产设备要求较高。

二、空间结构及分布控制

1、 微观杂化结构控制

碳系填料除了可利用陶瓷材料做涂层处理，也可将其与碳系填料混合，通过微观杂化结构（如片状堆叠和桥接、混合骨架和串联结构等）的合理设计，实现复合材料具有良好的绝缘导热性能。

例如Tian 等利用化学气相沉积技术，在氮化硼纳米片（BNNS）表面原位生长 CNT，形成具有串联结构的 BNNS-CNT 绝缘导热填料，应用于聚合物基体中既有效抑制了电渗流网络的形成，提升了电绝缘性能，同时也拥有良好的导热性能。

2、宏观叠层结构控制

由于微观杂化结构控制的技术难度较大，宏观叠层结构控制的方法引起了人们的关注，该技术以陶瓷材料等作为绝缘层填料，以碳材料作为导热层填料，通过在宏观层次上交替排列导热层和绝缘层，并合理设计调节导热层/绝缘层的厚度比，也能够实现填充型聚合物基导热复合材料的绝缘导热特性。

3、可控选择性分布

通过控制聚合物或导热/绝缘填料在空间上的选择性分布，有效控制其导电和导热路径，可以实现复合材料绝缘导热兼容性能设计。

例如，Zhang 等以磷酸盐玻璃（Pglass）作为 CNT 的约束域，制备CNT-Pglass 导热功能填料；使其选择性分布于填充了氮化硼（BN）的PP 基体中，制备 CNT-Pglass/BN-PP 绝缘导热复合材料。研究表明，导电 CNT被约束在分散的 Pglass 域中，无法形成连续的导电网络结构，而 CNT-Pglass 相可以通过与 BN 桥接在 PP 基体中形成导热网络。在 3.5 wt%CNT和 9 wt% BN 的负载下，CNT-Pglass/BN-PP 复合材料导热系数为 0.9 W/(m·K），电导率小于6×10⁻⁵ S/m。因此，利用 Pglass 约束域可以实现对功能填料的选择性分布进行有效控制。

聚合物基复合材料选择性分布控制的过程示意图（来源：参考文献1）

小结

相比陶瓷填料，碳系填料拥有更高的导热系数，能够大幅提升聚合物基复合导热材料的导热性能，但由于其具备一定的电导率，限制了其在一些需要高绝缘性场景的应用。目前可通过对其进行适当的绝缘处理或者通过微观杂化结构的合理设计来实现其在导热性能和绝缘性能的平衡。

参考文献：

1、田恐虎,吴阳,盛绍顶,等.聚合物基绝缘导热复合材料中碳系填料的研究进展[J].复合材料学报.

2、王学军,李飞,谷小虎,等.氟化石墨烯制备与应用研究进展[J].炭素技术.

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