随着电子技术的快速发展，对高性能散热材料的需求日益增加。聚合物由于其轻质、易加工等优点被广泛应用于这些领域，但其固有的低导热性限制了其进一步的应用，通常需要通过在聚合物基体中添加导热填料，提升其热导性。作为当前认可度最高的一种聚合物材料导热理论，导热通路理论认为导热路径的形成是由于聚合物基体中填料相互接触而连接，热流可以沿着填料形成的导热路径或网络传递，可以减少基体与填料之间的接触面积，因此具有各向异性的一维填料（纤维状、管状、线状等）和二维填料（片状）分别由于大长径比和大纵横比在构筑导热网络上有明显优势。不过，到底谁更具优势，本篇文章我们从导热网络的构筑方式出发，进行进一步探讨~

一、导热网络的构筑方式

通常，一维、二维导热填料在聚合物基体中可通过随机排列的方式构筑导热网络，也可利用外力使导热填料发生取向，形成有序的导热网络。

1、随机排列

即导热填料在聚合物基体中以无序的方式分布。这种导热网络形成的关键在于要求填料与基体之间要有良好的相容性，以实现均匀的分散，之后通过简单的机械搅拌、超声分散等方法即可实现，不需要复杂的设备或工艺，适合大规模生产。但由于填料无序分布，可能导致热量传递路径不够连续，为了获得足够的导热效果，往往需要较高的填充量或采用多种形貌填料复配的策略，使复合材料的导热路径更加完整。这种填料排列方式所制备的导热复合材料往往用于对于一些对导热性能要求不太严格的应用。

随机排列导热网络的形成

2、定向排列

定向排列是指利用机械力、电场、磁场等外力使导热填料在聚合物基体中沿着某一方向有规则地排列形成连续的导热通道，构筑高度有序的导热路径。通常，具有定向排列导热网络的导热复合材料具有各向异性，可在较少填料填充量的情况下就能实现高导热性能。不过，由于需要特殊设备和技术来实现定向排列，制造难度较大、成本较高，同时也会牺牲非排列方向上的导热性能和力学性能上，使材料在受到应力时，出现局部应力集中和易损性增加的现象。应力分布不均。目前该种排列方式的导热材料常用于需要高效散热的高性能电子器件，

通过磁场进行调控六方氮化硼纳米片取向排列

二、二维和一维导热填料在构筑导热网络上的对比

1、二维片状导热填料

在随机排列的情况下，二维片状导热填料通常具有较大的比表面积，能与其他填料之间形成较多的接触点，有助于构筑导热通路，但由于其扁平的形状，片状填料倾向于自然地堆叠或平行排列，这种结构有助于在平面方向上形成连续的导热路径，从而提高整体材料的导热性能，但也导致部分区域填料过于密集，而其他区域则缺乏有效的导热通路，导热均匀性明显降低，因此常常与其他形貌填料复配。

片状填料搭配球形填料形成的导热通路

在取向排列的情况下，二维片状填料主要利用片状填料相互搭接，当这它们在聚合物基体中排列良好时，可实现在平面内构建起高效的导热网络，尤其是一些具有特殊的晶型结构的二维导热填料如石墨烯、片状氮化硼等，由于其明显的各向异性，平面横向尺寸越大，晶格缺陷和界面越少，越有助于减少声子在传导过程中的散射，可利用其定向排列在平面方向上得到极高的导热系数。不过由于片状填料平面与聚合物基体之间存在较大的热阻，该种导热复合材料在厚度方向上的导热性能较差。

图源网络

*石墨烯和六方氮化硼片状填料都为典型层状蜂窝晶格结构，晶体微粒具有远程有序性，且层内的共价键强度高，使得声子在层内的传播速度较快，同时声子的散射小，然而，由于层间以范德华力连接，作用力较弱，声子在层间的传播受到限制，因此它们的导热性能具有各向异性，内部导热路径主要依靠面内导热。

2、一维导热填料

一维导热填料主要包括管状、纤维状、线状等形貌的填料，它们具有较大的长径比，与聚合物基体共混形成随机排列的导热网络结构后，整个复合材料体系可以相互牵缠在一起，不仅使得复合材料在受冲击时不容易断裂，而且能够在与其他维度填料复配时，更好地嵌入其他填料的间隙之间形成“桥接”的传热通道，可构建出一个更加复杂的三维网络结构，有助于减少填料的填充量，不过这也导致了其在基料中的流动性较差，不易分散，且加工性能较差。

一/二维导热填料分别与球形填料复配形成的导热路径

在构筑定向排列的导热网络上，一维导热填料主要是采取头尾相接的方式形成连续的导热通道，可以显著提高轴向方向上的导热性能，但由于其细长形态，单位体积内的接触面积相对较小，导致界面热阻较高，影响了整体导热性能。

垂直取向的碳纤维

目前常用的以为导热填料有碳纳米管、六方氮化硼纳米管、碳纤维、碳化硅晶须等：

①碳纳米管：碳纳米管是由石墨原子单层或多层绕成的同轴中空无缝管状物，其管壁大都是由六边形碳原子网格组成，分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，导热性能具有各向异性，其轴向热导率高达3000W/mK以上，在复合材料中少量添加就可明显改善热导率，但其作为碳材料，具有一定的导电性，不适用于绝缘场合中。

②六方氮化硼纳米管：BNNT是一种结构类似于碳纳米管的一维纳米结构材料，可以看做是碳纳米管中的碳原子被硼和氮原子交替取代的产物，由单层或多层六方氮化硼（h-BN）卷曲而成，最终形成一维结构的单壁或多壁氮化硼纳米管，其轴向热导率可达600W/mK。相比碳纳米管，其具有良好的电绝缘性。

碳纳米管和氮化硼纳米管的结构示意图

③碳纤维：碳纤维是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，普遍具有质轻、高强度、高模量、耐腐蚀和良好的导电导热等特点，轴向热导率一般为600-1300W/mK。

碳纤维理想晶体结构（来源：知乎@新型纤维材料及其应用）

④碳化硅晶须：碳化硅 晶须是是SiC粒子在催化剂作用下，沿（111）面生长出的极端各向异性的短纤维状晶体，其晶体结构与金刚石相类似，晶内成分均一，化学杂质少，无晶粒边界且缺陷少，因此具有相当好的导热性能、优异的力学性能、高强度和抗高温性能。

小结

具有各向异性的一维填料（纤维状、管状、线状等）和二维填料（片状）分别由于大长径比和大纵横比在构筑导热网络上有明显优势。从导热网络的构筑方式来看，二维片状填料在构筑随机排列导热网络时，由于大比表面积可以形成较多的接触点而易于形成连续的导热路径，一维导热填料则可以更好地嵌入其他填料的间隙之间，可在较少填充量的情况下形成复杂的导热网络，但通常加工性能较差。在构筑定向排列导热路径时，二维导热填料相互搭接，可在平面内构建起高效的导热网络，而一维填料则一般用于提高轴向方向上的导热性能。

参考文献：

刘升华,朱金华,王紫潇.不同形态填料填充导热复合材料的研究进展[J].材料开发与应用.

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