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【導語】

5G時代巨大數據流量對于通訊終端的芯片、天線等部件提出了更高的要求，器件功耗大幅提升的同時，引起這些部位發熱量的急劇增加。熱管理材料是當前5G射頻芯片、毫米波天線、無線充電、無線傳輸、IGBT、印刷線路板、AI和物聯網等領域最為有效的散熱材料，具有不可替代性。

一、什么是熱管理?

熱管理，顧名思義，就是對“熱”進行管理，英文是：Thermal Management涂料在線coatingol.com。熱管理系統廣泛應用于國民經濟以及國防等各個領域，控制著系統中熱的分散、存儲與轉換。先進的熱管理材料構成了熱管理系統的物質基礎，而熱傳導率則是所有熱管理材料的核心技術指標。

當微電子材料或器件相互接合時，實際的接觸面積只有宏觀接觸面積的10%，其余的均為充滿空氣的間隙，而空氣導熱系數低于0.03W/(m·K)，是熱的不良導體，這會降低系統散射效率。使用具有高熱導率和延展性的熱界面材料（TIM）填充這些間隙，從而在微電子器件和散熱器間建立無間隙的接觸，可以大幅度降低接觸熱阻。

熱界面材料的工作示意圖

理想的TIM材料應具備以下幾種特性：①高熱性，減少熱界面材料本身的熱阻；②高柔韌性，保證在較低安裝壓力條件下熱界面材料能夠最充分地填充接觸表面的空隙，保證熱界面材料與接觸面間的接觸熱阻很小；③絕緣性；④安裝簡便并具可拆性；⑤適用性廣，既能被用來填充小空隙，又能填充大縫隙。

聚合物具有高柔韌性、絕緣性的特點，廣泛應用于熱界面材料。而作為熱界面材料，高的熱導率是必需的。而通常的聚合物材料以及橡膠材料的熱導率都比較低，添加無機填料，比如氧化鋁、氮化鋁、碳化硅、氮化硼以及碳納米管等可以有效改善聚合物材料的熱導率，但是一直以來存在的問題是：無機填料的加入，會使聚合物材料變脆、變硬，可加工性和柔韌性下降，這些恰恰使得聚合物作為高可加工材料的優勢喪失殆盡。目前國際、國內針對材料柔韌性下降這個問題并沒有很好的解決方案，通常的做法是使用柔韌性盡量好的聚合物基體材料，另外，在保持材料柔韌性和獲得高熱導率之間尋求一個良好的平衡。

二、5G時代高功率、高集成、高熱量趨勢明顯，熱管理成為智能手機的“硬需求”

2022年以來，5G技術邁向全面普及，消費電子產品向高功率、高集成、輕薄化和智能化方向加速發展。由于集成度、功率密度和組裝密度等指標持續上升，5G時代電子器件在性能不斷提升的同時，工作功耗和發熱量急劇升高。據統計，電子器件因熱集中引起的材料失效占總失效率的65%~80%。為避免過熱帶來的器件失效，導熱硅脂、導熱凝膠、石墨導熱片、熱管和均熱板（VC）等技術相繼出現、持續演進，散熱管理已經成為5G時代電子器件的“硬需求”。

目前，電子器件使用的散熱技術主要包括石墨散熱、金屬背板、邊框散熱、導熱凝膠散熱等導熱材料以及熱管、VC等導熱器件。其中，導熱凝膠、導熱硅脂、石墨片和金屬片主要在中小型電子產品使用，熱管和VC則主要用在筆記本、電腦、服務器等中大型電子設備。

導熱系數和厚度是評估散熱材料的核心指標。傳統手機散熱材料以石墨片和導熱凝膠等熱界面材料為主，但是石墨片存在導熱系數相對較低，熱界面材料則存在厚度相對較大等問題。在手機廠商的推動下，石墨烯材料持續取得突破，開始切入到消費電子散熱應用；熱管和VC厚度不斷降低，開始從電腦、服務器等領域滲透到智能手機領域。

三、熱管理材料的最新研究進展

聚合物基導熱材料主要研究集中在填充型導熱聚合物方向，用于導熱界面材料的聚合物基體主要有：有機硅、環氧樹脂、聚氨酯及聚異丁烯等。導熱填料類型主要有：⑴碳類，如無定型碳、石墨、金剛石、碳納米管和石墨烯等；⑵陶瓷類，如氮化硼（BN）、氮化鋁（AlN）、氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）、氧化鎂（MgO）、氧化鋁（Al2O3）和氧化硅（SiO2）等。填料的添加量、形狀、尺寸、混合比例、表面處理及取向、團聚、網絡結構等都對聚合物基導熱材料的熱導率有很大的影響。目前，研究者主要將精力集中在設計新型的聚合物/填料復合材料，主要通過優化導熱填料的本征化學/物理結構、定構導熱填料的三維網絡等方式提高聚合物復合材料的導熱性能。

華東理工大學吳唯教授課題組通過Cu2+的原位還原，實現了在二維氮化硼（BN）片層對零維納米Cu球的負載，制備出全新的BN@Cu雜化填料。由于這種BN@Cu雜化填料特殊的結構特征，一方面提高了填料表面粗糙度，二維BN填料表面因零維納米Cu球的凸起更易形成穩定的導熱網絡；另一方面增大了填料與基體間接觸面積，使熱量從聚合物基體以聲子傳遞形式經二維BN平臺作用再通過納米Cu球傳導提供了更通暢的通道，減少了聲子散射。二者共同作用的結果，有效提高了聚合物的熱導率。通過對不同負載量下雜化填料對聚合物導熱性能的研究，獲得了對構建導熱網絡最為有效的填料結構，將聚合物導熱系數提高了500%。這類新型雜化導熱填料相對于單一導熱填料而言，不僅在構建導熱網絡的能力上體現出明顯優勢，還能大幅降低接觸熱阻，對提高聚合物導熱性能研究具有重要的科學意義及應用價值

南京理工大學化工學院吳凱副教授一直致力于聚合物復合材料的熱管理研究，圍繞導熱系數低和耐溫性問題提出了一系列提高聚合物復合材料導熱性能的新方法。例如，構筑貫穿雙網絡結構（Compos. Sci. Technol.2016, 130, 28（一區）;Compos. Sci. Technol. 2017, 151,193（一區））、設計隔離雙網絡結構（ACS Appl. Mater.Interfaces 2017, 9, 7637（一區）;Compos. Sci. Technol.2017, 151, 193（一區））、二維導熱納米片邊緣選擇性羥基化的策略（J. Mater. Chem. A2018, 6, 11863（一區）;ACS Appl. Mater. Interfaces 2017,9, 30035（一區）;ACS Appl. Mater. Interfaces 2019,11, 40685（一區））等。

上海大學納米科學與技術研究中心丁鵬研究員團隊開發出熱響應性的導熱材料，通過材料自身結構設計實現了材料在特定溫度條件下觸發的主動熱響應行為，將其應用于電子器件上表現出主動散熱的智能熱管理效果。基于可調控的強共價鍵作為永久交聯網絡，氫鍵作為可犧牲和可恢復的交聯網絡組成雙交聯氮化硼網絡。結合可相變的聚乙二醇，制備了熱響應聚合物復合材料。通過密度泛函理論（DFT）以及分子動力學模擬（MD）計算，模擬了不同比例的羥基化氮化硼（BNNSs-OH）和聚乙烯醇（PVA）之間所成氫鍵鍵能以及所成氫鍵個數，對雙交聯網絡進行了調控。結果表明，BNF（B1P1.5）具有良好的彈性和較高的抗壓強度。此外，對導熱網絡進行了優化設計，得到了具有良好導熱性能和傳熱性能的聚乙二醇/氮化硼/雙交聯網絡熱響應聚合物復合材料。得到的熱響應聚合物復合材料具有良好的散熱性能（ΔTmax=10℃)，同時能夠通過自身形狀的變化顯示器件溫度的變化。這一研究工作通過材料結構設計和性能調控，促進了多功能導熱復合材料的發展。