随着5G基站、高压直流输电、新能源汽车电驱系统等高功率密度场景的普及化，热界面材料（TIM）不仅要具备极致的导热能力以快速散逸巨大热量，还必须拥有顶级的电气可靠性能，以应对数千伏乃至更高电压下的绝缘挑战。

然而，当前材料体系正面临一个关键技术瓶颈：传统的氧化铝等导热填料虽然具备优异的绝缘性能，但其本征热导率较低，对复合材料的导热率提升有限，而碳纳米管、石墨烯等碳材料虽然本征热导率极高，但其高导电性在高压绝缘场合中极易构成漏电通道，显著增加击穿风险。此外，在高电场环境下，聚合物基体与导热填料界面易产生应力集中和脱粘，降低击穿强度和长期运行的可靠性。

等离子体氟化改性技术，可对导热填料的表面进行分子级“精装修”，使其在保持甚至提升导热效率的同时，还能为复合材料筑起坚固的绝缘防线，在导热填料的改性上极具应用前景。

等离子体氟化改性技术的原理及优势

等离子体氟化是一种利用等离子体中的活性含氟基团（如F•自由基），在填料表面引发化学反应，从而接枝氟原子（-F）的干法工艺。通常是在真空反应腔室内，通入四氟化碳（CF₄）、六氟化硫（SF₆）等含氟气体。在高频高压交流源或微纳秒脉冲源的激发下，气体分子被电离，形成包含离子、电子、自由基和高能中性粒子的等离子体。由于氟原子的电负性极高，吸引电子的能力极强，其电离所得到的氟自由基（F•）具有高活性，易于与填料表面原子（如C、B）发生化学反应，并形成强共价键（C-F、B-F等），实现对填料表面的可控氟化。

相比于化学接枝、生物分子修饰和水热处理等传统方法，等离子体氟化在效率、环保性、改性均匀性上展现出明显优势：

1、高效性：在高能等离子体的作用下，该技术通常在几分钟至几十分钟内完成改性，同时作为一种干法工艺，其无需冗长的清洗、干燥步骤。

2、环保性：近乎零排放，不使用有害溶剂，废气易于处理，是绿色环保的制造工艺。

3、改性效果：传统改性工艺受限于反应动力学与传质，微纳米粉体易出现改性不均的情况，等离子体氟化改性可渗透至粉末堆隙，实现复杂形貌填料表面的均匀处理。同时氟原子具有的高电负性（4.0）也可使其与其他原子形成的共价键（如C-F、B-F等）具有强烈的极性，从而使改性后的材料表现出极高的改性稳定性。此外，氟化改性通常仅为表面纳米级反应，深度可控（通常<10 nm），可完美保留填料内部晶体结构与本征性能。

等离子体氟化改性会给导热填料带来什么？

通过引入氟原子，可从物理化学本质上重塑填料表面性质，从而实现热界面材料导热和电气可靠性能的双重调控：

1、改善团聚，构建高效导热网络。

填料团聚是限制热界面材料导热性能提升的重要因素。当氟原子通过等离子体接枝到填料（如BN、碳纳米管）表面后，能显著降低其表面能，使其表面特性与环氧树脂、硅橡胶等聚合物基体更为匹配。同时，等离子体的物理轰击与化学作用还会轻微刻蚀并增加填料表面的微观粗糙度，因此可以改善填料在聚合物基体的分散性和相容性，降低填料与聚合物基体之间的界面热阻，便于构建高效的导热网络。

2、调控导电性，解锁碳材料的绝缘应用潜力 。

针对碳材料导电性高的特点，氟化技术使其电学性能变得“可编程”。氟原子接入碳纳米管或石墨烯的晶格，会破坏其sp²共轭的电子离域体系，逐步将其转变为以sp³杂化为主的宽带隙结构，破坏了原本平整、有序的晶体结构，从而阻碍电子的迁移路径，降低其导电性能。一般来说，氟化程度越高的碳系材料，其绝缘性能越好，完全氟化的碳系填料则能成为绝缘体，这使得碳系填料在需要高绝缘性能的复合材料场合中具备应用潜力。

3、优化复合材料介电性能，提升击穿场强。

在高电场环境下，聚合物基体与填料之间易产生应力集中和脱粘，降低击穿强度 和长期运行的可靠性，因此通过氟化改性改善填料与聚合物的结合强度，可有效改善材料电气性能，优化介电性能，提升闪络电压（固体绝缘子周围的气体或液体电介质被击穿时，沿固体绝缘子表面放电的电压。发生闪络后，电极间电压迅速下降至零或接近零，且闪络电压通常低于相同电极结构下纯气体或固体介质的击穿电压），提高局部放电起始电压和击穿场强。

小结

等离子体氟化改性技术作为一种精准、高效、环保的表面修饰技术，在通过纳米尺度上重构填料界面特性，不仅可显著提升导热填料的分散性与界面结合力，构建更高效的导热网络，更可通过引入氟原子实现了对材料电学性能的“编程”——将高导热的碳材料转化为绝缘体，并全面增强了复合材料的介电强度与长期电气可靠性，可作为一种协同改性手段，为实现下一代高功率电子设备与能源系统的高效、安全、可靠运行奠定了坚实的材料基础。

粉体圈Corange整理