目前在微电子器件封装、电气电工绝缘设备、航空航天、换热与采暖工程、发光二极管(LED)照明等领域，聚合物导热复合材料对于电子封装等散热设计有着关键作用。导热聚合物复合材料通常会添加金属、碳及陶瓷等高导热填料来增强性能，在三类填充型导热聚合物中，金属粉填充型聚合物除具有导热性能外，还具有导电、电磁屏蔽及其他功能，在工业上已经得到广泛应用。

导热银粉

金属晶体内部存在着大量自由电子，金属粒子在基体树脂内形成导热网络结构 或路径时，借助自由电子及声子振动可以提高聚合物的导热性能。金属粉的电导率、热导率及成本是决定其工业应用的主要因素，目前，Cu、Ag、Al、Zn等广泛应用于制备导热聚合物。填料的种类及性能、形状、粒径大小、用量、填料改性对其在聚合物中的分布、分散及导热网络或通路的构建及最终体系的热导率有明显影响。

金属导热填料的种类及性能

1.Au具有优良的电导率和热导率，卓越的抗氧化性，因其成本太高仅在极少场合 使用。

2.Ag使用较多，Ag的热导率为420W/(m·K)，化学稳定性高，延展性好，聚合物/Ag浆料主要用于导电及导热场合电子元器件的黏接，替代焊接工艺，简化组装工艺及成本。

3. 相比于贵金属，Cu价格适中，热导率约为388W/(m·K)，是工业上应用最广泛的导电导热材料，例如用于制作导管材料、电脑内部零件材料、以及各种对导热性要求高的仪器等材料。

4.Al的热导率约为200W/(m·K)，室温下Al粉表面存在5~8nm的非晶氧化铝绝缘层，绝缘层越薄，Al粉的热导率越高，Al粉的直径越大，氧化铝层越厚，改变氧化铝厚度可有效调控核壳Al粉及聚合物复合材料的热导率及电性能。Al粉成本相对低廉，主要用于制备导热聚合物涂料、胶黏剂及复合塑料，如聚丙烯(PP)/Al复合塑料用于制造暖气片壳体，替代金属暖气片，提高了耐腐蚀性，降低成本。

导热塑料暖气片

5.Zn粒子表面易于自氧化形成无定形碱式碳酸锌绝缘层，有效防止了Zn粒子间的 接触，显著降低了介电损耗；高温下碱式碳酸锌分解生成氧化锌晶体，得到ZnO@Zn核壳粒子。绝缘氧化层使得核壳结构的Al、Zn粒子/聚合物在高填料用量时同时具有高热导率、高介电常数和低损耗特性，可用于热界面材料及储能薄膜电容器。

6.Sn的熔点低，约为231.9℃，热导率为61.7W/(m·K)，较少应用于导热聚合物。

7.Ni、Fe填充聚合物具有一定的导热和磁性能，常用于对磁性能有要求的导热场合。

电磁炉专用导磁导热片

金属粉的形状及粒径影响

金属粉的形状及粒径大小影响其在聚合物中的分布和粒子间堆积方式，从而影响在聚合物内部构筑导热道通的能力，影响其导热及其他性能。

1.金属粒子形状

相比于零维球形粒子，一维纤维或二维片状金属更易于在聚合物内形成接触点，创造更多有利于声子传递的导热通路，有利于提高导热性能。

例如Ag粉，Ag主要有球形和片状２类，相比于球形粒子，片银在基体中有更低的逾渗值，不同长径比Ag纳米线在聚合物内的导热逾渗阈值不同，长径比越大，阈值越小，从而可以降低复合材料中的填料含量。

片状导热银粉

除Cu粉末外，有时还使用Cu纤维和超薄Cu片填充和增强聚合物，连续的一维纤维及二维铜片在聚合物内经不同形式分布排列，易于在低含量下形成相互连接，迅速改善热导率；相比球形Al粒子，片状Al粒子在基体中有较低的阀值，更能 提高聚合物的热导率等。

2.金属粒子粒径

金属粒子粒径大小对聚合物复合材料热导率的影响与其在基体内的分布、分散结构以及相互间的作用力对其空间分散结构的影响有关。

例如在EP/Al复合材料中，Al的粒径越小，复合材料的硬度和尺寸稳定性越大，大粒径EP/Al热导率高于小粒径体系的，因为大粒径粒子和环氧界面间的热阻较低。

金属导热填料的添加

高含量金属填料不但成本高，还对体系的力学、加工及其他性能具有明显的负面影响，因此，常采用一些特殊的加工手段来实现在较低含量下的高导热及其他优异性能。

新型加工手段是目前实现较低填料用量下获得高热导率聚合物的关键。通过合理设计，在制备过程中使金属粒子在聚合物内沿某方向采取定向分布排列，该方向可获得极高的热导率，常用诱导自组装、形成核壳结构、控制粒子运动状态、利 于粒子在共混组分内优先分布、电磁场辅助加工等方式实现导热粒子的定向分布。

其中，制备核壳结构金属粒子、中空金属粒子、液体金属是较受关注的方向。

1.核壳结构金属粒子

为提高分散效果，降低成本，调控聚合物/金属粒子体系的电性能及其他综合性能，常使用核壳结构金属粒子以发挥核壳结构彼此间的协同效应，可有效改善聚合物的热导率、电性能及其他性能。

常将昂贵Ag粒子包覆于Al、Cu及聚合物等廉价粒子表面，形成以Ag为壳体的核/壳结构粒子，这是目前以贵金属 Ag为原料制备导热聚合物的一个重要途径。目前，镀银Cu/Al粉末已成为一种很有前途的导电导热填料。

银包铜粉

主要是采用化学镀的方法在Cu/Al粉末表面形成不同厚度的银镀层，该方法克服 了Cu/Al粉末易氧化、Ag粒子价格昂贵且易迁移的缺点，具有高导热性、化学稳定性、不易氧化、生产成本低等优点。

Cu粉在高温下易氧化，可涂覆保护层以维持Cu粉的高导电和导热性。低熔点、无毒、非铅的金属镀层可显著提高Cu颗粒表面电导率和粘接强度；用镀锡Cu粉填充PI及硅氧烷混合树脂制得导热胶可用于元器件与基板间粘接；Cu颗粒的 表面涂层可有效改善材料的电性能。

为提高聚合物/Al的击穿强度和电阻，可在Al粒子表面沉积一层绝缘SiO₂，形成双壳结构Al粒子，相比于单壳Al粒子，介电常数和介电损耗降低，热导率有所下降，但击穿强度和电阻增加，可靠性提升。相同含量下，相比于单一粒径分布的Al粒子，混杂粒径Al对体系热导率及力学性能、电性能均有影响。

金属铝粉表面包覆纳米SiO₂

2.中空金属粒子、液体金属

为有效减少填充聚合物的质量，使用中空金属球粒子（如空心铜球粒子）在合适中空度时，所得聚合物材料具有和实心粒子体系相当的热导率，但质量显著减少，具有很高的比热导率，这对在太空宇航及航空方面的应用具有极其重要的意义，也是填充型轻质导热聚合物未来的重要发展方向。

中空结构粒子

当前，可穿戴电子及柔性电子的迅速发展对导热聚合物提出了更苛刻的要求，目前制备的导热聚合物无法满足柔性电子的散热需求，因为在明显形变下体系的导热性能迅速下降。传统导热粒子因不具备和弹性聚合物相当的大形变而不能满足要求，硅弹性体/碳纳米管具有部分低形变导热能力。当前，采用镓铟或镓铟锡液体合金和PDMS或硅橡胶复合后，所得弹性体经高倍拉伸后，在拉伸方向上的热导率成倍增加，源自于液体合金易于变形，沿拉伸方向在弹性体内经变形，形成了连续取向结构，为声子传递铺设了高速通道。这类硅弹性体/液体金属合金导热聚合物是可穿戴柔性电子的最佳散热材料，是未来发展的重要方向。

液体金属

参考来源：

1.聚合物/导热金属复合材料的研究进展，寇雨佳、周文英、龚莹、蔡会武、吴红菊（中国塑料）；

2.新一代高导热金属基复合材料界面热导研究进展，常国、段佳良、王鲁华（材料导报）。

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