随着新能源汽车向高功率密度、长续航里程的赛道疾驰，其核心的“三电”系统——电池、电机和功率电子器件，正承受着日益严峻的热管理考验。高功率输出与快速充电需求，使得热量在狭小空间内急剧积聚，高效散热已成为保障性能、安全与寿命的生命线。与此同时，汽车轻量化作为提升能效与续航的关键路径，亦在施加着严苛的约束。如何在保证卓越导热性能的同时，最大限度地减轻自重，成为产业必须破解的核心难题，本篇文章我们就一起探讨这个话题！
导热界面材料主要是在聚合物基体中添加高导热填料制备而成，聚合物基体往往柔软且密度低，而导热填料是提升复合材料导热能力的主力，但其引入往往伴随密度增加，因此面向新能源汽车的轻量化需求，填料的选择不仅着眼于导热系数，还需综合考量其密度、成本等多种因素。
1、传统轻质导热填料
以氢氧化铝、硅微粉为代表的无机矿物填料，密度较低（约2.2-2.6 g/cm³），成本低廉，且具备良好的电绝缘性，是传统轻量化设计的常见选择，此外，氢氧化铝作为常见的阻燃剂，在受热分解时还通过吸收热量释放结晶水，可以降低周围环境温度，同时释放出的水蒸气还能稀释可燃气体，起到阻燃和降温的作用，能有效提高新能源设备的安全性，满足新能源领域对材料阻燃性能的要求。然而，氢氧化铝和硅微粉的本征导热系数普遍偏低（通常在 10 W/(m·K)左右），为实现高导热性能需要极高的填充比例，这往往会导致复合材料黏度激增，加工困难，力学性能下降，限制了其在高端、高散热需求场景的应用。
2、新型轻质导热填料
以六方氮化硼、石墨烯、碳纳米管、碳纤维为代表的先进材料，可很好破解导热界面材料轻量化与高导热的矛盾。
·六方氮化硼：兼具出色的面内高导热（~300 W/(m·K)）、低密度（约2.3 g/cm³）、优异的电绝缘性和化学稳定性，是电机绝缘部件、功率模块封装等要求电气安全的场景的理想选择，但由于制备工艺复杂，生产成本较高，导致其价格相对昂贵，增加了新能源设备的制造成本。成本较高，且片层结构导致难以在基体内均匀分散，会影响导热性能的发挥。
六方氮化硼SEM图（来源：网络）
·碳材料：石墨烯、碳纳米管、碳纤维等碳材料的密度通常在1.5-2.2g/cm³，且具有极高的本证热导率（石墨烯的面内导热可达5300W/(m·k)，碳纳米管热导率达3000-3500W/(m·k)，碳纤维的轴向热导率为600~1500W/(m·k)），是极致轻量化和高导热的顶级候选，在极低添加量下显著提升复合材料导热率。然而，由于分散困难、制备成本高昂，且碳纳米管和部分石墨烯产品具有导电性，这使得它们在需要电绝缘的新能源应用场景（如动力电池的绝缘封装）中受到限制，需要进行额外的绝缘处理，增加了工艺复杂性和成本。
石墨烯、碳纳米管（来源：网络）
石墨烯导热垫片（来源：盛源新材）
3、折中之选
氧化铝是当前应用最广泛的导热填料，其密度约为3.9g/cm³，热导率约为30W/(m·K)，综合性能平衡，通过粒径级配可优化填充，广泛用于各类导热垫片、灌封胶中。而相较氧化铝，氧化镁密度略低（约为3.58 g/cm³），导热系数略高（约为36W/(m·K)），但因其易吸湿，从而降低其自身的导热性能，并导致复合材料的绝缘性能下降。
二、填料排布优化是关键
实现轻量化与高效散热的两全，不能仅依赖填料本身的导热性能，更需通过精巧的结构设计，最大化填料的导热效率，从而在更低填充量下实现目标性能。
1、填料改性：
填料与聚合物之间往往存在界面不相容的问题，而导热填料需要经过表面改性后，不仅可以提升在基体中的分散性，从而在较低填充量下更均匀地分布在基体中，更容易相互接触形成连续的导热通路，而且由于填料与聚合物基体的界面相容性增强，也能减少界面处的声子散射和热阻，提高复合材料的整体导热性能。
2、多维度填料复合：
单一维度的填料难以同时满足多重要求，通过将不同形状、尺寸、性质的填料进行科学复配，填补彼此之间的空隙，构建更连续的导热网络，是提升效率、降低用量的有效方法。例如片状填料（如六方氮化硼、石墨烯）和纤维状填料分别具有较高的径厚比和长径比，但容易相互缠绕或堆叠，球形填料（如球形氧化铝）具有良好的流动性，可降低复合材料的粘度，将它们按一定比例复配，球形填料可以插入片状或纤维状填料之间，从而降低团聚倾向，形成更连续、高效的导热网络。
不同尺寸、形貌导热填料复配构建导热路径（来源：杨家伟.导热复合凝胶热界面材料的制备及性能研究[D].上海第二工业大学.）
3、实现有序的填料排布
一般来说，片层状和纤维状的填料的导热性能具有各向异性的特点，例如石墨烯，其平面内（径向）热导率约5000W/（m·K）与垂直平面方向（轴向）热导率约10W/（m·K）相差悬殊；又例如绝缘导热的六方晶氮化硼粒子面内方向（a轴方向）的热导率为400W/（m·K），厚度方向（c轴方向）的热导率为2W/（m·K）。因此，可以利用高纵横比的片状或纤维状填料在复合材料中定向排列，来构筑高度各向异性的导热通道。
有序定向的填料排布具有高的各向异性热导率
目前，实现填料的有序排布主要可通过以下两类手段进行：
·外场诱导：利用磁场（对磁性涂层修饰的BN）、电场、流场剪切力或特殊的涂布/成型工艺，使六方氮化硼片层、石墨烯片或碳纤维沿厚度方向（Z轴）或面内特定方向有序排列。
·模板法：是以冰、盐、金属、糖或其他无机物为模板剂，利用三维多孔模板微结构的空间限制作用构建三维导热网络，并以此来调控三维导热网络的结构与尺寸。
4、构建双逾渗结构
当导热填料在一种聚合物连续相中处于逾渗状态时，该连续相在另一种聚合物连续相中也处于逾渗状态。因此，可通过使两种互不相容或部分相容的聚合物（如聚丙烯/尼龙、硅橡胶/环氧树脂）形成 共连续相结构，并使填料选择性地优先分散并富集在其中的一个聚合物相中，即形成所谓的双逾渗结构。当导热填料在其富集的聚合物相中达到局部高浓度，可在该相内部率先形成高效的导热网络，而该富集了填料的聚合物相本身，又在整个复合材料中作为连续相存在，构成了贯穿材料整体的导热通路。这种结构使得填料网络的有效连通性被放大，可以在相同的总填料添加量下，获得远高于随机分散复合材料的导热系数。
小结
新能源汽车导热材料的“轻量化”与“高效散热”并非不可调和的矛盾，一方面可继续开发本征导热率更高、密度更低、成本更可控的新型填料，并通过复配与改性，提升填料与聚合物的相容性。而另一方面则需要以系统思维为“热量”规划最有效的轻量化路径，比如运用定向排布、构建三维导热骨架或双逾渗结构，让热量在材料中拥有更有序规则的导热通道，来最大化提升导热效率。只有这样，才能使新能源汽车迈向更高能量密度、更长续航与更可靠安全的方向不断发展。
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