随着电子器件功率密度的不断提高，散热问题逐渐成为影响电子器件工作效率与寿命的重要因素。一般来说，电子器件的散热过程主要包括装置本身内部的传热、元器件与散热器之间的传热、通过散热器的传热以及从散热器到周围环境的传热4个阶段，而其中元器件与散热器之间的传热被认为是极其重要的一环。通常，元器件与散热器只在接触表面凸起的顶部接触，接触表面上凸起形成的微小空气间隙可能导致导热性能变差。而使用高导热系数的热界面材料（TIM）填充空隙，可以大幅增强界面之间的热传导。导热凝胶作为一种半固体的TIM，它既像液体又像固体，可以很好的填补散热接触面间的空隙，从而减少界面气隙，降低接触热阻，具有良好的导热性能。接下来，小编将详细介绍这款在电子产品中常用的导热材料。

导热凝胶的应用领域（图源：文献3）

导热凝胶及其组成

无TIM/有TIM填充的气隙（图源：文献1）

导热凝胶是一种半固体状的导热材料，使用时呈膏状，具有良好的流动性，可在较小安装压力下对接触界面缝隙进行充分润湿及填充，难挥发、不干变，可建立稳定高效的热传导通道，确保低接触热阻，是电子设备中理想的导热界面材料之一。一般情况下，导热凝胶可以分为硅系和非硅系两类。硅系导热凝胶是由基础硅油、交联剂、扩链剂和导热填料等组成。目前常用于导热凝胶的基础硅油主要有二甲基硅油、乙基硅油、羟基硅油、含氢硅油、长链烷烃基硅油、氟硅油及各种有机基改性硅油。非硅系导热凝胶的基础材料为树脂。

导热凝胶如何实现高效散热？

导热凝胶之所以能成为高效的散热“桥梁”，其核心在于内部的导热填料。作为基体的硅油或树脂导热能力较弱，热导率通常在0.1-0.3W/(m·K)左右。因此，需要加入高导热的粉末颗粒——即导热填料，来构建快速传热的通道。这背后利用的是热传导途径理论，当填料含量较低时，这些颗粒孤立分散，如同海中的孤岛，无法形成连续的导热通路，热量传递效率有限。随着填料含量的不断增加，颗粒之间开始相互接触、重叠，最终在基体中形成连绵不断的导热网络。这样一来，热量就能沿着这些低热阻的路径迅速从热源端传导至散热器端。

衡量一款导热凝胶散热能力的核心指标是其总热阻。这主要来自于两个方面：一是材料本身的热阻，这与材料的本征导热系数和涂抹厚度直接相关；二是导热凝胶与芯片、散热器两个接触界面之间的接触热阻。因此，要打造一款高性能的导热凝胶，目标非常明确：一是极力提升材料自身的导热系数；二是优化其与接触表面的贴合度，减少界面空隙，降低接触热阻。前者主要依靠导热填料构建导热网络，而后者则与基体的柔软性、浸润性以及加工工艺密切相关。

导热填料形成传热路径示意（图源：文献1）

如果制备出高性能导热凝胶？

要制备出高性能的导热凝胶，远非简单地将高导热填料混入硅油即可。它是一项涉及基体、填料、界面、加工工艺多维度协同的系统工程。

1、基体

聚合物基体不仅是填料的载体，其自身的特性也至关重要。通过设计分子链结构、选择合适黏度的基础硅油（如200mPa·s的端乙烯基硅油），并精确控制交联剂的比例，可以形成一个柔软而富有弹性的三维网络。这个网络既能良好地包裹和固定填料，又能保持足够的流动性以充分浸润接触表面，从而在保证自身强度和降低接触热阻之间取得最佳平衡。

2、填料

单一粒径的填料总有其局限。小粒径填料（3-5μm）虽能填充缝隙，但它们较易团聚且会大幅增加粘度；大粒径填料（40-70μm）填充量大，但颗粒间空隙多。研究发现，对于常用的球形氧化铝，存在一个“黄金粒径”（约20μm），能在单一种类下取得较好效果。而更普适的策略是采用粒径复配：将大、中、小不同粒径的填料按科学比例混合。这样，小颗粒能完美填充大颗粒之间的空隙，实现理论上最紧密的堆积，极大提升填料体系的导热效率。例如，将20μm与5μm的球形氧化铝按质量比2:1复配，被证实能获得优异的导热性能。

3、表面改性技术

填料与基体间的界面是热阻的“高发区”。氧化铝等无机填料表面亲水，而有机硅基体亲油，二者相容性差，容易产生微观空隙。硅烷偶联剂在此扮演关键角色，它就像一座“分子桥”，一端通过化学反应锚定在填料表面，另一端则与有机硅基体紧密结合。这层改性层能显著改善填料在基体中的分散性，并极大地强化界面结合，减少声子散射，从而降低界面热阻。经此处理，导热凝胶的导热系数可获得显著提升。

4、杂化与协同

为了突破单一材料的天花板，研究人员开发了杂化填料。例如，利用静电作用将二维的氧化石墨烯（GO）包覆在球形氧化铝表面，形成rGO@Al₂O₃核壳结构。在这种设计中，氧化铝颗粒作为“隔离层”有效防止石墨烯片层团聚，而高导热的石墨烯则在颗粒间形成高效的二维导热通道，二者优势互补，实现了1+1>2的协同增强效应。

5、加工工艺

再完美的配方也需要精湛的工艺来实现。高效的混炼工艺（如真空搅拌、三辊研磨）确保填料均匀分散，避免团聚；彻底的脱泡工艺能消除内部微小的空气屏障（空气是极差的热导体）；优化的固化工艺则保证基体网络完全且稳定地形成。每一个环节的精度，都直接影响着最终产品性能的一致性与可靠性。

小结

导热凝胶具有热导率大，耐高低温性能、绝缘性好、可重复使用等优点而被广泛应用。而其综合性能提升的关键在于合理设计基体和填料的性质，基体的设计可以从聚合物的类型、相对分子质量及其分布、交联剂、扩链剂等方面进行设计，而填料的设计可以从提高导热性方面进行探索，如对传统导热填料进行表面功能化以及设计复合填料。通过对凝胶结构的合理调控，可以使其具有比传统材料更高的散热效率，从而保证其在高载荷环境下工作时能够有效地控制其温度，延长器件的使用寿命和稳定性。

参考文献：

1、缪小冬,王大林,邱晓锋,等.导热凝胶的研究进展[J].橡胶工业.

2、文芳,王良旺,李爽,等.rGO@Al2O3填充导热硅凝胶的制备及性能研究[J].材料工程.

3、姬进朝.低热阻柔性导热凝胶的制备及其打印封装研究[D].青岛理工大学.

4、文芳,王良旺,郭华超,等.石墨烯填充导热硅凝胶的研究进展[J].现代化工.

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