随着电子器件小型化与集成化发展，热管理日益重要。密集封装产生的热量会影响器件性能与寿命，因此需要轻质、高导热、易加工的材料来设计高效热管理系统。热界面材料（TIMs）因其技术灵活性高、成本低和加工性能好而备受关注，其中，碳基填充型热界面材料由于其高导热性能已成为导热领域的热点材料。

一、碳基填充型热界面材料

1、TIM的热传导机制

器件通过TIM和散热器散热的能力由三部分热阻决定，分别是界面热阻R_C1和R_C2及体热阻（R_TIM）。其中，R_TIM可以通过界面厚度（BLT）和TIM的导热系数（K_TIM）来计算。因此，性能优异的TIM应该具备2个特征：

(1)更高的导热系数，从而实现更低的体积热阻；

(2)合适的弹性模量和表面黏性，使其在较小的安装压力下就可以有效填补2个接触面之间的空隙，从而降低界面热阻。

TIMs的热传导机制

（其中：R_C1、R_C2为界面热阻；R_TIM为体热阻）

2、碳基填料

热界面材料（TIMs）主要是由聚合物基体材料和导热填料组成的填充型TIMs。由于聚合物基体材料本身导热性较差（普遍低于0.3 W/(m · K)），填料的本征导热系数对整体导热性能至关重要。常用导热填料包括金属材料、陶瓷材料和碳基材料，填料中热量通过声子即晶格振动和电子来传导。

碳基材料尤其特殊，虽热量主要通过声子传递，但由于其独特的晶体结构、不同同素异构体在不同方向上相邻碳原子间距不同，碳材料的导热系数差异巨大。从室温时无定形碳的0.01 W/(m·K)到金刚石的2000 W/(m·K)再到碳纳米管的3000~3500W/(m·K)，可达传统金属材料（铁、铝及铜）的10倍，这使得碳基材料成为了导热领域学者关注的热点材料。

碳同素异形体及其衍生物的导热系数

二、碳基填料填充结构设计

1、表面官能化

碳基材料如石墨烯和碳纳米管因表面能高、π-π作用强易团聚，影响在基体中的均匀分散。对其进行表面官能化是提高分散性、降低界面热阻的有效方法。主要分为共价与非共价官能化两类：

（1）共价官能化

通过形成C-C共价键或与含氧基团反应，可显著增强填料与基体相互作用，改善分散并降低接触热阻，但会破坏填料的晶体结构，降低其本征导热能力。

（2）非共价官能化

依靠氢键、π-π作用等物理吸附，仅发生在表面，能保持填料结构完整，并通过提高分散性来增强界面相互作用、降低热阻。其效果取决于官能分子的覆盖程度。

2、填料协同强化

研究表明，复合材料的导热性能可通过同时掺入不同类型、不同维度（如0D、1D与2D）的填料来实现协同增强，构建多元复配的填料体系。

·0D填料：主要包括球形或类球填料，如氧化铝、氮化铝和金刚石颗粒等；

·1D填料：包括各种类型的线性和管状填料，例如碳纳米管（CNT）和碳纤维（CF）等；

·2D填料：片状，如石墨烯（GP）和石墨烯纳米片（GNS）等。

1D填料：碳纳米管示意图

2D填料：石墨烯的晶体结构

填料协同强化的主要机理在于：第二种填料的加入能有效防止碳基材料（如石墨烯）团聚，并通过尺寸差异填充间隙，降低逾渗阈值。同时，改善因高填充量导致的复合材料在压缩下导热性能下降及电绝缘性差的问题，拓宽碳基热界面材料的应用范围。

不同维度材料在聚合物基体材料内形成导热网络的示意图

 (a) 0D+1D, (b) 0D+2D, (c) 1D+2D, (d) 0D+1D+1D, (e) 1D+1D+2D and (f) 1D+2D+2D

3、预制碳基骨架

通过预先构建填料三维骨架（如石墨烯气凝胶、碳纳米管阵列等），再将其充分浸渍于聚合物基体材料内，随后固化制成块体材料，可形成高效导热通道。

目前广泛报道的碳基骨架主要有石墨烯气凝胶、石墨烯泡沫、碳纳米管阵列和石墨片阵列等。该方法的关键在于碳基骨架自身的质量与密度，直接影响复合材料最终导热性能。

碳基填料随机分布和3D骨架的复合材料的导热示意图

4、填料定向处理

通过力场、电场和磁场等方式对碳基填料进行原位定向处理，可以使其在聚合物基体中有序排列，从而在很小的填充量下充分发挥其面内高导热优势。

力场定向：操作较为简单。在冷冻处理的结晶过程中结晶方向产生的力可驱动填料定向排列，因此冷冻处理也属于力场定向。

电场定向：主要通过静电植绒技术。利用电荷同性相斥异性相吸的物理特性，在施加高压的条件下使填充物带上电荷，并呈垂直状加速植入另一物体表面。

磁场定向：包括填料的直接定向或填料与磁性材料结合后的间接定向。直接定向工艺相对简单，且导热效果好，但对定向填料的尺寸和定向磁场强度的要求会更高。

静电植绒制备碳纤维阵列示意图

小结

高性能碳基填充型TIMs若是可以实现商业化生产，对电子行业的发展有着举足轻重的作用。预制三维碳基骨架和碳基填料定向处理方案的出现使得同时兼具低填充和高导热TIMs成为可能。

参考文献：

[1]黄飞,秦文波,舒登峰,等.碳基填料填充型热界面材料的研究现状[J].高分子材料科学与工程,2023.

[2]蔡楚玥.基于碳材料定向排列的新型相变热界面材料制备及其散热性能研究[D].华南理工大学,2022.

粉体圈七七