随着电子设备、新能源汽车、航空航天等领域对高效散热需求的不断增长，聚合物基导热复合材料作为一种轻质且具备高导热性能的材料，受到了广泛关注。这类材料由聚合物基体和高导热填料组成，其导热性能的关键在于导热填料是否能够在基体中相互搭接，形成有效的导热通路。

根据填料的形貌分类，导热填料主要分为球形、片状和纤维状三类。然而，较常使用的球形填需要较高的填充量才能实现理想的导热效果，不利于降低成本而片状和纤维状填料由于具有较大的径厚比和长径比，能够更有效地搭接成导热网络。特别是纤维状填料，凭借其高长径比和线性结构，能够在较低的填充量下，在复合材料内部形成连续的导热网络，既保证了材料的加工性能，又不显著增加整体重量。

本文将深入探讨如何更好地将纤维状填料应用于聚合物基导热复合材料中，以满足器件高效散热的需求。

1、选取合适填料

一般而言，在相同条件下，所采用填料本身的热导率越高，复合材料的导热率也就越高，同时，不同种类的导热填料也各有其突出优势，需根据特定应用进行选取。目前，常用的纤维状导热填料有中间相沥青基碳纤维、氮化硼纤维、碳纳米管纤维、碳化硅晶须等。

①中间相沥青基碳纤维：沥青基碳纤维是指以富含稠环芳烃的物质为原料制备而成的一种碳纤维，目前主要分为通用级沥青基碳纤维和中间相沥青基碳纤维，其中中间相沥青基碳纤维具有高分子量、高石墨化程度、良好芳香性、高结晶度等结构特点，因而其导热、力学性能都很好，导热系数能达到800w/(m·K)以上，弹性模量能达到800GPa以上，能够在较宽温度范围内快速有效地传导热量，目前常用于航空航天等高端领域的热管理中，在保证强度的同时，为轻量化提供最优可能。。

②氮化硼纤维：氮化硼是一种具有大带隙(5.2eV)的高导热(2000W/(m·K))绝缘物质,有着和石墨烯类似的蜂窝状原子结构，目前主要在高功率芯片导热和封装材料领域展现出巨大的应用前景，不过由于制备过程复杂，目前工艺尚不成熟，质量和性能可能会有较大波动，规模化应用仍存在挑战。

③碳纳米管纤维：碳纳米管纤维是以碳纳米管为组装单元构建而成的宏观材料，其热导率可以达到3500W/(m·K)，同时具有超高的机械强度、断裂伸长能力和纤维柔性，不过存在高浓度难以均匀分散、规模化生产困难等情况。

④碳化硅晶须：碳化硅晶须是一种晶格缺陷少并有一定长径比的单晶纤维，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，可需要高温高强应用材质的增韧场合。如:航天材料、高速切削刀具等，有着极高的性能价格比。

2、优化填料分布

通常纤维状填料（如碳纤维、玻璃纤维或陶瓷纤维）具有各向异性，当其沿一个方向排列并形成有效接触时，热量能够沿着纤维的长轴更有效地传递，该方向上的热传导性会大大提高。如果纤维是随机分布的，则热传导路径变得曲折，降低了整体的导热效率。

为了获得取向方向上的高导热性，可以通过成型加工过程中的剪切力、压力或者拉伸力进行择优排列。常用的方法有剪切取向法、热压取向法、冰晶诱导法等：

①剪切取向法：填料与预聚体或者聚合物混合均匀后转移至基板/载带上，在刮涂或流延产生的剪切力作用下填料发生取向，固化成型后与基底剥离即得具有各向异性结构的复合材料薄膜。

BNNS/PVDF复合材料薄膜制备过程

②热压取向法：通过热压成型技术使复合材料中的填料在与压力垂直方向上获取一定程度的取向。

③冰晶诱导法：利用温度梯度来影响和控制冰冻基元的运动过程，是溶剂沿着温度梯度的方向定向生长，形成取向结构的冰晶，而后填料受到冰晶的排挤而沿着冰晶生长的方向取向排列，最后再通过干燥等步骤使冰晶升华。

冰晶诱导法原理

3、多维度协同复配

除了使纤维状导热填料定向排列外，还可将纤维状导热填料与其他维度导热填料进行复配，从而构筑有效的导热网络。

一维导热纤维（如碳纤维、玻璃纤维、金属纤维）沿其长轴方向具有优异的导热性，而二维片状材料（如石墨烯、氮化硼纳米片）在平面内有良好的导热性，三维颗粒（如氧化铝、氮化铝）则提供各向同性的导热性能。通过复配这些不同维度的填料，可以在复合材料中形成多层次的热传导路径，提高整体的导热效率。

纤维、球形填料复配构筑导热路径

相比采用定向排列导热纤维的聚合物基导热复合材料，多维度协同复配工艺较为简单，同时高成本的高性能填料（如碳纳米管、石墨烯）可以与低成本的常规填料（如氧化铝颗粒、玻璃纤维）结合使用，在不影响关键性能的前提下，降低材料成本，并利用不同维度材料的力学特性，显著提升复合材料的机械性能。

4、控制纤维长度

在聚合物基复合材料中，导热纤维的长度直接影响到复合材料的导热性能、机械性能以及加工性能。较长的导热纤维能够提供更连续的热传导路径，减少热量传递过程中的断点和曲折，从而提高导热材料的导热效率。同时，在机械性能上，长纤维能够有效地传递和分散外加应力，为复合材料中提供更好的机械支撑，而短纤维虽然提供的热传导路径较短，但其分散性好，能更均匀地分布在材料中，为复合材料提供更均匀的导热性能。因此，在选制备聚合物基导热复合材料时，应根据实际情况，控制好纤维填料长度。

5、填料表面改性

大多数导热填料与聚合物基体的相容性较差，在聚合物基体中添加导热填料不仅不易分散，而且不可避免地会产生基体-填料和填料-填料界面，导致界面处声子振动频率不匹配从而造成大量的声子散射，使得导热聚合物复合材料的热导率远低于预期值。因此，消除或减少界面引起的声子散射是提高导热聚合物复合材料导热性能的关键。

通过对导热填料表面进行改性处理，增加填料与聚合物基体之间的相互作用，改善填料与聚合物基体之间的相容性，可以有效降低填料-基体界面引起的声子散射。目前，填料表面改性的常用方法主要有物理吸附和化学共价键合。物理虚浮是通过静电等非共价键作用将偶联剂、表面活性剂等包覆在填料粒子表面；化学共价键合则是将长链分子或极性基团通过化学反应接枝在填料粒子表面。

硅烷偶联剂改性原理

参考文献：

1、奚启清,杨志诚,姚深冬,等.高导热纤维研究进展[J/OL].科学通报.

粉体圈整理