高性能热界面材料专题
编者按
随着新兴的5G通信、物联网、新能源汽车电子、可穿戴设备、智慧城市等领域的兴起,相关电子器件朝着小型化、高功率密度、多功能化等方向发展。这将使得相关电子器件的过热风险持续提升。开发高性能热管理材料对改善电子器件散热非常关键,也成为学术界和电子器件应用产业界面临的最大挑战。由中国科学院深圳先进技术研究院牵头，联合上海交通大学、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、东南大学、同济大学、上海大学和中国科学院宁波材料工程与技术研究所组成的科技部重点研发专项团队致力于高性能热界面材料的研发与产业化（项目名称：高性能热界面材料基础研究，项目编号： 2017YFB0406000）。本期高性能热界面材料专题的文章来自科技部重点研发专项团队成员的研究工作。
本期客座编辑
孙蓉 研究员
中国科学院深圳先进技术研究院材料所（筹）所长、先进材料研究中心主任
主要研究方向为电子封装关键材料。
文章列表
2019, 8(1):3-14.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20180913001
摘要:
填充型高导热聚合物复合材料是目前解决电子器件散热问题的重要材料。基于此，该文通过 液相剥离和化学还原法制备了氮化硼纳米片/银纳米粒子(BNNSs/AgNPs)杂化粒子，并以此为填料制 备了 BNNSs/AgNPs/环氧树脂复合材料。前期研究工作证实通过 BNNSs/AgNPs 杂化粒子的填充，复合 材料的导热性能得到了有效提高。然而，复合材料其他方面的综合性能也相当重要。因此，通过热失 重、动态热机械性能以及介电性能测试对 BNNSs/AgNPs/环氧树脂复合体系的电学和力学性能进行考 察和分析。结果表明，杂化粒子的填充对复合材料热分解温度有所提高，复合物的介电常数随着填料 含量的增加而增加，BNNSs/AgNPs/环氧树脂的介电常数相对于 BNNSs/环氧树脂有进一步的提高。复 合材料的储能模量和玻璃化转变温度随着填料含量的增加而升高。相对于 BNNSs，BNNSs/AgNPs 杂 化粒子使得环氧树脂复合物的玻璃化转变温度进一步提高。BNNSs/AgNPs/环氧树脂复合材料良好的热 学、力学和电学性能，能进一步满足聚合物基复合材料在现代电子器件和设备封装领域的要求。
填充型高导热聚合物复合材料是目前解决电子器件散热问题的重要材料。基于此，该文通过 液相剥离和化学还原法制备了氮化硼纳米片/银纳米粒子(BNNSs/AgNPs)杂化粒子，并以此为填料制 备了 BNNSs/AgNPs/环氧树脂复合材料。前期研究工作证实通过 BNNSs/AgNPs 杂化粒子的填充，复合 材料的导热性能得到了有效提高。然而，复合材料其他方面的综合性能也相当重要。因此，通过热失 重、动态热机械性能以及介电性能测试对 BNNSs/AgNPs/环氧树脂复合体系的电学和力学性能进行考 察和分析。结果表明，杂化粒子的填充对复合材料热分解温度有所提高，复合物的介电常数随着填料 含量的增加而增加，BNNSs/AgNPs/环氧树脂的介电常数相对于 BNNSs/环氧树脂有进一步的提高。复 合材料的储能模量和玻璃化转变温度随着填料含量的增加而升高。相对于 BNNSs，BNNSs/AgNPs 杂 化粒子使得环氧树脂复合物的玻璃化转变温度进一步提高。BNNSs/AgNPs/环氧树脂复合材料良好的热 学、力学和电学性能，能进一步满足聚合物基复合材料在现代电子器件和设备封装领域的要求。
2019, 8(1):15-23.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20180909001
摘要:
芯片散热问题限制了芯片技术的进一步发展，寻求高热导率的热界面材料成为突破该瓶颈的 重要手段之一。有机-无机复合材料由于其柔软性以及热导率可调控，有望取代常规材料——硅脂，成 为新一代热界面材料。实验上，有机-无机复合材料的制备方法包括物理混合、分相析出和原位氧化。 该文采用物理混合方法制备聚偏氟乙烯/石墨烯复合材料，并使用非稳态测量方法得到其热导率高达 83 W/(m·K)(温度 T＝360 K、体积分数 f＝76 vol%)。此外，复合材料的热导率与填料的体积分数、颗 粒大小形状以及填料与基体之间的相互作用等因素密切相关，利用改进的有效介质理论 Bruggeman 模 型和 Agari 模型来解释复合材料热导率的物理机制时发现，改进的有效介质理论 Bruggeman 模型并不 能很好地解释该复合材料的高热导率。由 Agari 模型可知，当填料含量较高时，填料之间更容易形成 导热通道，从而提高了复合材料的热导率。
芯片散热问题限制了芯片技术的进一步发展，寻求高热导率的热界面材料成为突破该瓶颈的 重要手段之一。有机-无机复合材料由于其柔软性以及热导率可调控，有望取代常规材料——硅脂，成 为新一代热界面材料。实验上，有机-无机复合材料的制备方法包括物理混合、分相析出和原位氧化。 该文采用物理混合方法制备聚偏氟乙烯/石墨烯复合材料，并使用非稳态测量方法得到其热导率高达 83 W/(m·K)(温度 T＝360 K、体积分数 f＝76 vol%)。此外，复合材料的热导率与填料的体积分数、颗 粒大小形状以及填料与基体之间的相互作用等因素密切相关，利用改进的有效介质理论 Bruggeman 模 型和 Agari 模型来解释复合材料热导率的物理机制时发现，改进的有效介质理论 Bruggeman 模型并不 能很好地解释该复合材料的高热导率。由 Agari 模型可知，当填料含量较高时，填料之间更容易形成 导热通道，从而提高了复合材料的热导率。
2019, 8(1):24-37.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20180910001
摘要:
随着电子元器件、电力系统和通讯设备等领域的飞速发展，对散热要求也越来越高。六方氮 化硼是一种性能优异的绝缘导热填料，其导热复合材料受到了越来越多的关注。该文综述了近年来关 于六方氮化硼基导热复合材料的研究进展，简要介绍了其导热机理和研究现状，进一步总结了当前存 在的一些技术困难，并展望了未来六方氮化硼基导热复合材料的发展方向。
随着电子元器件、电力系统和通讯设备等领域的飞速发展，对散热要求也越来越高。六方氮 化硼是一种性能优异的绝缘导热填料，其导热复合材料受到了越来越多的关注。该文综述了近年来关 于六方氮化硼基导热复合材料的研究进展，简要介绍了其导热机理和研究现状，进一步总结了当前存 在的一些技术困难，并展望了未来六方氮化硼基导热复合材料的发展方向。
2019, 8(1):38-44.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20180912001
摘要:
随着现代电子产品的快速发展，研发具有高效的热管理材料正成为全球性的挑战。研究表明 界面热阻是限制导热复合热管理材料高导热性能的最主要因素。该文设计并利用水热法合成了低界面 热阻的六方氮化硼(BN)/二硫化钼(MoS2)异质结构，并将高导热性的 BN/MoS2 异质结构填充到环氧树 脂中制备纳米复合材料。在水热反应过程中，MoS2 生长在 BN 纳米片上，确保了较好的界面接触。其 中，BN 充当结构骨架和传热通道，而 MoS2 纳米片具有较大的比表面积，故能有效地收集热量。借助 MoS2 的浸润性，可以降低填料和聚合物基质之间的界面热阻。实验结果表明，合成的 BN/MoS2-环氧 纳米复合材料导热率从 0.254 W/(m·K)提高到 0.526 W/(m·K)，比纯环氧树脂的导热率提升了 107%。 该研究结果有助于开发新型高性能导热材料。
随着现代电子产品的快速发展，研发具有高效的热管理材料正成为全球性的挑战。研究表明 界面热阻是限制导热复合热管理材料高导热性能的最主要因素。该文设计并利用水热法合成了低界面 热阻的六方氮化硼(BN)/二硫化钼(MoS2)异质结构，并将高导热性的 BN/MoS2 异质结构填充到环氧树 脂中制备纳米复合材料。在水热反应过程中，MoS2 生长在 BN 纳米片上，确保了较好的界面接触。其 中，BN 充当结构骨架和传热通道，而 MoS2 纳米片具有较大的比表面积，故能有效地收集热量。借助 MoS2 的浸润性，可以降低填料和聚合物基质之间的界面热阻。实验结果表明，合成的 BN/MoS2-环氧 纳米复合材料导热率从 0.254 W/(m·K)提高到 0.526 W/(m·K)，比纯环氧树脂的导热率提升了 107%。 该研究结果有助于开发新型高性能导热材料。
2019, 8(1):45-53.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20180913002
摘要:
随着电子产品中电子元器件逐渐趋向于小型化和高度集成化，其内部产生的大量热量会使电 子器件的各项性能受到影响。为了及时散出热量，需要制备出一种高热导率的复合材料。该研究采用 性能优异的液晶环氧树脂作为基体，以六方片状氮化硼和玻璃纤维作为填料，制备出一种热导率高 且综合性能优异的液晶环氧树脂基复合材料。结果显示，所制备的液晶环氧树脂/氮化硼片/玻璃纤维 复合材料的热导率在厚度方向最高可达 1.6 W/(m·K)、在平面方向最高可达 5.85 W/(m·K)。同时， 该复合材料还具有较高的玻璃化转变温度(高于 180 ℃)和优异的热稳定性(热分解温度高于 365 ℃)。
随着电子产品中电子元器件逐渐趋向于小型化和高度集成化，其内部产生的大量热量会使电 子器件的各项性能受到影响。为了及时散出热量，需要制备出一种高热导率的复合材料。该研究采用 性能优异的液晶环氧树脂作为基体，以六方片状氮化硼和玻璃纤维作为填料，制备出一种热导率高 且综合性能优异的液晶环氧树脂基复合材料。结果显示，所制备的液晶环氧树脂/氮化硼片/玻璃纤维 复合材料的热导率在厚度方向最高可达 1.6 W/(m·K)、在平面方向最高可达 5.85 W/(m·K)。同时， 该复合材料还具有较高的玻璃化转变温度(高于 180 ℃)和优异的热稳定性(热分解温度高于 365 ℃)。
2019, 8(1):54-67.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20181008001
摘要:
在聚合物基热界面材料体系中，固体-聚合物界面接触热阻的研究近年来被广泛关注。该文综 合评述了聚合物基材料界面接触传热机理、接触热阻测量方法并介绍了近年来聚合物基界面材料的研 究进展。许多学者分别从宏观和微观角度建立了不同的接触热阻模型，进而研究固体-聚合物接触热阻 的传热机理。但由于影响界面接触热阻的因素较多，因此其产生的传热机理十分复杂，目前对于固体- 聚合物接触热阻的研究仍存在着许多困难与挑战。对于聚合物基材料界面接触热阻的测量，微/纳米 尺度材料如聚合物薄膜间接触热阻的新型表征方法与技术成为国际研究的前沿和热点之一，该文主要 介绍了适用于固体-聚合物间接触热阻表征的技术手段，如 3ω 法和时域热反射法。此外，该文根据分 子作用力的类型(如范德华力、共价键和非共价强作用力)对聚合物基界面材料研究进展进行综述并分 析，同时指出了今后在界面热管理的研究方向。
在聚合物基热界面材料体系中，固体-聚合物界面接触热阻的研究近年来被广泛关注。该文综 合评述了聚合物基材料界面接触传热机理、接触热阻测量方法并介绍了近年来聚合物基界面材料的研 究进展。许多学者分别从宏观和微观角度建立了不同的接触热阻模型，进而研究固体-聚合物接触热阻 的传热机理。但由于影响界面接触热阻的因素较多，因此其产生的传热机理十分复杂，目前对于固体- 聚合物接触热阻的研究仍存在着许多困难与挑战。对于聚合物基材料界面接触热阻的测量，微/纳米 尺度材料如聚合物薄膜间接触热阻的新型表征方法与技术成为国际研究的前沿和热点之一，该文主要 介绍了适用于固体-聚合物间接触热阻表征的技术手段，如 3ω 法和时域热反射法。此外，该文根据分 子作用力的类型(如范德华力、共价键和非共价强作用力)对聚合物基界面材料研究进展进行综述并分 析，同时指出了今后在界面热管理的研究方向。
2019, 8(1):68-77.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20181121001
摘要:
该文提出了一种制备新型导热填料的方法：基于液氮驱动和冰模板法自组装，以氮化硼纳米 片和银纳米颗粒为基本组装单元，制备了具有开放孔结构、内部互连的毫米级氮化硼气凝胶球。其 中，对气凝胶球的成型机理进行了初步的探索，并对影响气胶球微观结构的因素，如制备气凝胶球 浆料的固含量等进行研究。另外，该文将环氧树脂灌入到多孔气凝胶球中，从而制得氮化硼球/环氧 树脂和氮化硼-银球/环氧树脂复合材料，并对其结构形貌和导热性能进行了研究，其中重点研究了氮 化硼纳米片的表面改性、氮化硼微球的不同微观结构对复合材料的导热性能的影响。结果显示，当多 孔微球的填充量为 2.7 vol% 时，氮化硼球/环氧树脂复合材料的面外导热系数达 0.57 W/(m·K)，而氮 化硼-银球/环氧树脂复合材料的面外导热系数达 0.64 W/(m·K)，相比于纯环氧树脂的导热系数提高了 276.5%。由此可见，氮化硼气凝胶球微球的加入可有效提高环氧树脂基复合材料的导热系数，在氮化 硼纳米片表面负载银颗粒后可进一步提升复合材料的导热性能；液氮驱动的冰模板法自组装技术在制 备导热填料领域具有巨大的应用前景。
该文提出了一种制备新型导热填料的方法：基于液氮驱动和冰模板法自组装，以氮化硼纳米 片和银纳米颗粒为基本组装单元，制备了具有开放孔结构、内部互连的毫米级氮化硼气凝胶球。其 中，对气凝胶球的成型机理进行了初步的探索，并对影响气胶球微观结构的因素，如制备气凝胶球 浆料的固含量等进行研究。另外，该文将环氧树脂灌入到多孔气凝胶球中，从而制得氮化硼球/环氧 树脂和氮化硼-银球/环氧树脂复合材料，并对其结构形貌和导热性能进行了研究，其中重点研究了氮 化硼纳米片的表面改性、氮化硼微球的不同微观结构对复合材料的导热性能的影响。结果显示，当多 孔微球的填充量为 2.7 vol% 时，氮化硼球/环氧树脂复合材料的面外导热系数达 0.57 W/(m·K)，而氮 化硼-银球/环氧树脂复合材料的面外导热系数达 0.64 W/(m·K)，相比于纯环氧树脂的导热系数提高了 276.5%。由此可见，氮化硼气凝胶球微球的加入可有效提高环氧树脂基复合材料的导热系数，在氮化 硼纳米片表面负载银颗粒后可进一步提升复合材料的导热性能；液氮驱动的冰模板法自组装技术在制 备导热填料领域具有巨大的应用前景。
2019, 8(1):78-87.
DOI: 10.12146/j.issn.2095-3135.20180831001
摘要:
随着高集成、高功率电子器件的飞速发展，电子器件对高导热材料需求更加迫切。碳纳米管 因具有独特的一维纳米结构，同时兼具优异的导热、导电和机械性能等，近年来备受国内外科研工作 者广泛的研究关注。该文主要介绍了碳纳米管的 3 种制备方法：石墨电弧法、化学气相沉积法和激光 蒸发法，同时阐述了碳纳米管导热基本机理以及碳纳米管应用于复合材料热传导性能研究，并对碳纳 米管在进一步导热研究中进行了展望。
随着高集成、高功率电子器件的飞速发展，电子器件对高导热材料需求更加迫切。碳纳米管 因具有独特的一维纳米结构，同时兼具优异的导热、导电和机械性能等，近年来备受国内外科研工作 者广泛的研究关注。该文主要介绍了碳纳米管的 3 种制备方法：石墨电弧法、化学气相沉积法和激光 蒸发法，同时阐述了碳纳米管导热基本机理以及碳纳米管应用于复合材料热传导性能研究，并对碳纳 米管在进一步导热研究中进行了展望。
