5G高導(dǎo)熱絕緣氮化硼膜材墊片介紹

關(guān)鍵詞：5G材料，高導(dǎo)熱絕緣材料，新能源，低介電材料，氮化硼材料

導(dǎo)語：5G時(shí)代巨大數(shù)據(jù)流量對(duì)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(shí)，引起了這些部位發(fā)熱量的急劇增加。BN氮化硼散熱膜是當(dāng)前5G射頻芯片、毫米波天線、AI、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域最為有效的散熱材料，具有不可替代性。

致力于解決當(dāng)前我國(guó)電子封裝及熱管理領(lǐng)域面臨的瓶頸技術(shù)問題，建立了國(guó)際先進(jìn)的熱管理解決方案及相關(guān)材料生產(chǎn)技術(shù)，是國(guó)內(nèi)低維材料技術(shù)領(lǐng)域頂尖的創(chuàng)新型研發(fā)團(tuán)隊(duì)。本產(chǎn)品是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)自主研發(fā)的高質(zhì)量二維氮化硼納米片，成功制備了大面積、厚度可控的二維氮化硼散熱膜，具有透電磁波、高導(dǎo)熱、高柔性、低介電系數(shù)、低介電損耗等多種優(yōu)異特性,解決了當(dāng)前我國(guó)電子封裝及熱管理領(lǐng)域面臨的“卡脖子”問題，擁有國(guó)際先進(jìn)的熱管理TIM解決方案及相關(guān)材料生產(chǎn)技術(shù)，是國(guó)內(nèi)低維材料技術(shù)領(lǐng)域頂尖的創(chuàng)新型高科技產(chǎn)品。

產(chǎn)品的應(yīng)用方向?yàn)?G通訊絕緣熱管理，主要目標(biāo)市場(chǎng)可分為終端設(shè)備，智能工業(yè)，及新能源汽車三大板塊。5G技術(shù)是近年來最受矚目的關(guān)鍵科技，也是國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)發(fā)展的核心產(chǎn)業(yè)之一。隨著5G商用，工業(yè)4.0、智慧城市、無人駕駛等科技建設(shè)的推進(jìn)，該項(xiàng)目已經(jīng)初步形成了萬億的市場(chǎng)規(guī)模，并持續(xù)快速發(fā)展。

新能源汽車在不改變電池系統(tǒng)總能量的情況下，電池系統(tǒng)質(zhì)量降低能夠有效提高其續(xù)航里程，電動(dòng)汽車質(zhì)量減10%，能提高續(xù)駛里程5.5%。電池系統(tǒng)重量在新能源汽車總重量中占有較大的比重。較傳統(tǒng)燃油汽車而言，電動(dòng)汽車核心的三電系統(tǒng)(電池、電機(jī)、電控)和智能化設(shè)備，使 得電動(dòng)車相比同類車型電動(dòng)乘用車重量增加10%-30%，電動(dòng)商用車重量增加10%-15%，其中電池Pack整包占整車整備質(zhì)量的18%～30%。材料迭代+結(jié)構(gòu)優(yōu)化，輕量化結(jié)構(gòu)件。以特斯拉Model3為例，電池Pack各主要部件中，質(zhì)量最大的是電芯本體（62.8%），其次為Pack下箱體 （6.2%）、模組殼體及支架（12.3%）和BMS等部件集成系統(tǒng)（11.1%）等。從這些部件出發(fā)，通過材料替換和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，對(duì)電池進(jìn)行輕 量化開發(fā)。Cell to Pack(CTP) ：減少或去除電池“電芯-模組-整包”的三級(jí) Pack結(jié)構(gòu)的技術(shù)。目前有兩種不同的技術(shù)路 線：以比亞迪刀片電池為代表的徹底取消模組 的方案；以寧德時(shí)代CTP技術(shù)為代表的小模組 組合成大模組的方案，提高了能量密度和體積 利用率。CTP中電芯熱失控管理難度加大，對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱膠對(duì)模組散熱的要求，以及外部隔熱膠隔熱阻燃的要求更高。

5G技術(shù)---移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的新發(fā)動(dòng)機(jī)

一

5G移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的新發(fā)動(dòng)機(jī)

什么是5G？

“5G”一詞通常用于指代第 5 代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。5G 是繼之前的標(biāo)準(zhǔn)（1G、2G、3G、4G 網(wǎng)絡(luò)）之后的最新全球無線標(biāo)準(zhǔn)，并為數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用提供更高的帶寬。除其他好處外，5G 有助于建立一個(gè)新的、更強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)能夠支持通常被稱為 IoT 或“物聯(lián)網(wǎng)”的設(shè)備爆炸式增長(zhǎng)的連接——該網(wǎng)絡(luò)不僅可以連接人們通常使用的端點(diǎn)，還可以連接一系列新設(shè)備，包括各種家用物品和機(jī)器。公認(rèn)的5G的優(yōu)勢(shì)是：

?具有更高可用性和容量的更可靠的網(wǎng)絡(luò)

?更高的峰值數(shù)據(jù)速度（多 Gbps）

?超低延遲

與前幾代網(wǎng)絡(luò)不同，5G 網(wǎng)絡(luò)利用在 26 GHz 至 40 GHz 范圍內(nèi)運(yùn)行的高頻波長(zhǎng)（通常稱為毫米波）。由于干擾建筑物、樹木甚至雨等物體，在這些高頻下會(huì)遇到傳輸損耗，因此需要更高功率和更高效的電源。5G部署最初可能會(huì)以增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶應(yīng)用為中心，滿足以人為中心的多媒體內(nèi)容、服務(wù)和數(shù)據(jù)接入需求。增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶用例將包括全新的應(yīng)用領(lǐng)域、性能提升的需求和日益無縫的用戶體驗(yàn)，超越現(xiàn)有移動(dòng)寬帶應(yīng)用所支持的水平。

毫米波是5G的關(guān)鍵技術(shù)

毫米波通信是未來無線移動(dòng)通信重要發(fā)展方向之一，目前已經(jīng)在大規(guī)模天線技術(shù)、低比特量化ADC、低復(fù)雜度信道估計(jì)技術(shù)、功放非線性失真等關(guān)鍵技術(shù)上有了明顯研究進(jìn)展。但是隨著新一代無線通信對(duì)無線寬帶通信網(wǎng)絡(luò)提出新的長(zhǎng)距離、高移動(dòng)、更大傳輸速率的軍用、民用特殊應(yīng)用場(chǎng)景的需求，針對(duì)毫米波無線通信的理論研究與系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨重大挑戰(zhàn)，開展面向長(zhǎng)距離、高移動(dòng)毫米波無線寬帶系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)研究，已經(jīng)成為新一代寬帶移動(dòng)通信最具潛力的研究方向之一。

毫米波的優(yōu)勢(shì)： 毫米波由于其頻率高、波長(zhǎng)短，具有如下特點(diǎn)：

頻譜寬，配合各種多址復(fù)用技術(shù)的使用可以極大提升信道容量，適用于高速多媒體傳輸業(yè)務(wù)；可靠性高，較高的頻率使其受干擾很少，能較好抵抗雨水天氣的影響，提供穩(wěn)定的傳輸信道；方向性好，毫米波受空氣中各種懸浮顆粒物的吸收較大，使得傳輸波束較窄，增大了竊聽難度，適合短距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信；波長(zhǎng)極短，所需的天線尺寸很小，易于在較小的空間內(nèi)集成大規(guī)模天線陣。

毫米波的缺點(diǎn)：毫米波也有一個(gè)主要缺點(diǎn)，那就是不容易穿過建筑物或者障礙物，并且可以被葉子和雨水吸收。這也是為什么5G網(wǎng)絡(luò)將會(huì)采用小基站的方式來加強(qiáng)傳統(tǒng)的蜂窩塔。

什么是熱管理？

熱管理？顧名思義，就是對(duì)“熱“進(jìn)行管理，英文是：Thermal Management。熱管理系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)以及國(guó)防等各個(gè)領(lǐng)域，控制著系統(tǒng)中熱的分散、存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換。先進(jìn)的熱管理材料構(gòu)成了熱管理系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而熱傳導(dǎo)率則是所有熱管理材料的核心技術(shù)指標(biāo)。

導(dǎo)熱率，又稱導(dǎo)熱系數(shù)，反映物質(zhì)的熱傳導(dǎo)能力，按傅立葉定律（見熱傳導(dǎo)），其定義為單位溫度梯度（在1m長(zhǎng)度內(nèi)溫度降低1K）在單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)單位導(dǎo)熱面所傳遞的熱量。熱導(dǎo)率大，表示物體是優(yōu)良的熱導(dǎo)體；而熱導(dǎo)率小的是熱的不良導(dǎo)體或?yàn)闊峤^緣體。

5G手機(jī)以及硬件終端產(chǎn)品的小型化、集成化和多功能化，毫米波穿透力差，電子設(shè)備和許多其他高功率系統(tǒng)的性能和可靠性受到散熱問題的嚴(yán)重威脅。要解決這個(gè)問題，散熱材料必須在導(dǎo)熱性、厚度、靈活性和堅(jiān)固性方面獲得更好的性能，以匹配散熱系統(tǒng)的復(fù)雜性和高度集成性。

什么是氮化硼?

氮化硼是由氮原子和硼原子所構(gòu)成的晶體?；瘜W(xué)組成為43.6%的硼和56.4%的氮，具有四種不同的變體：六方氮化硼（HBN)、菱方氮化硼（RBN）、立方氮化硼（CBN）和纖鋅礦氮化硼（WBN）。

氮化硼問世于100多年前，最早的應(yīng)用是作為高溫潤(rùn)滑劑的六方氮化硼，不僅其結(jié)構(gòu)而且其性能也與石墨極為相似，且自身潔白，所以俗稱：白石墨。

氮化硼（BN）陶瓷是早在1842年被人發(fā)現(xiàn)的化合物。國(guó)外對(duì)BN材料從第二次世界大戰(zhàn)后進(jìn)行了大量的研究工作，直到1955年解決了BN熱壓方法后才發(fā)展起來的。美國(guó)金剛石公司和聯(lián)合碳公司首先投入了生產(chǎn)，1960年已生產(chǎn)10噸以上。

1957年R·H·Wentrof率先試制成功CBN，1969年美國(guó)通用電氣公司以商品Borazon銷售，1973年美國(guó)宣布制成CBN刀具。

1975年日本從美國(guó)引進(jìn)技術(shù)也制備了CBN刀具。

1979年首次成功采用脈沖等離子體技術(shù)在低溫低壓卜制備崩c—BN薄膜。

20世紀(jì)90年代末，人們已能夠運(yùn)用多種物理氣相沉積（PVD）和化學(xué)氣相沉積（CVD）的方法制備c-BN薄膜。

從中國(guó)國(guó)內(nèi)看，發(fā)展突飛猛進(jìn)，1963年開始BN粉末的研究，1966年研制成功，1967年投入生產(chǎn)并應(yīng)用于我國(guó)工業(yè)和尖端技術(shù)之中。

物質(zhì)特性：

CBN通常為黑色、棕色或暗紅色晶體，為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，具有良好的導(dǎo)熱性。硬度僅次于金剛石，是一種超硬材料，常用作刀具材料和磨料。

氮化硼具有抗化學(xué)侵蝕性質(zhì)，不被無機(jī)酸和水侵蝕。在熱濃堿中硼氮鍵被斷開。1200℃以上開始在空氣中氧化。真空時(shí)約2700℃開始分解。微溶于熱酸，不溶于冷水，相對(duì)密度2.29。壓縮強(qiáng)度為170MPa。在氧化氣氛下最高使用溫度為900℃，而在非活性還原氣氛下可達(dá)2800℃，但在常溫下潤(rùn)滑性能較差。氮化硼的大部分性能比碳素材料更優(yōu)。對(duì)于六方氮化硼：摩擦系數(shù)很低、高溫穩(wěn)定性很好、耐熱震性很好、強(qiáng)度很高、導(dǎo)熱系數(shù)很高、膨脹系數(shù)較低、電阻率很大、耐腐蝕、可透微波或透紅外線。

物質(zhì)結(jié)構(gòu)：

氮化硼六方晶系結(jié)晶，最常見為石墨晶格，也有無定形變體，除了六方晶型以外，氮化硼還有其他晶型，包括：菱方氮化硼（r-BN)、立方氮化硼（c-BN）、纖鋅礦型氮化硼（w-BN)。人們甚至還發(fā)現(xiàn)像石墨稀一樣的二維氮化硼晶體。

通常制得的氮化硼是石墨型結(jié)構(gòu)，俗稱為白色石墨。另一種是金剛石型，和石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸脑眍愃?，石墨型氮化硼在高溫?800℃）、高壓（8000Mpa）[5~18GPa]下可轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎傂偷稹Ｊ切滦湍透邷氐某膊牧?，用于制作鉆頭、磨具和切割工具。

應(yīng)用領(lǐng)域：

1. 金屬成型的脫模劑和金屬拉絲的潤(rùn)滑劑。

2. 高溫狀態(tài)的特殊電解、電阻材料。

3. 高溫固體潤(rùn)滑劑，擠壓抗磨添加劑，生產(chǎn)陶瓷復(fù)合材料的添加劑，耐火材料和抗氧化添加劑，尤其抗熔融金屬腐蝕的場(chǎng)合，熱增強(qiáng)添加劑、耐高溫的絕緣材料。

4. 晶體管的熱封干燥劑和塑料樹脂等聚合物的添加劑。

5. 壓制成各種形狀的氮化硼制品，可用做高溫、高壓、絕緣、散熱部件。

6. 航天航空中的熱屏蔽材料。

7. 在觸媒參與下，經(jīng)高溫高壓處理可轉(zhuǎn)化為堅(jiān)硬如金剛石的立方氮化硼。

8. 原子反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料。

9. 飛機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴口。

10.高壓高頻電及等離子弧的絕緣體。

11.防止中子輻射的包裝材料。

12.由氮化硼加工制成的超硬材料，可制成高速切割工具和地質(zhì)勘探、石油鉆探的鉆頭。

13.冶金上用于連續(xù)鑄鋼的分離環(huán)，非晶態(tài)鐵的流槽口，連續(xù)鑄鋁的脫模劑。

14.做各種電容器薄膜鍍鋁、顯像管鍍鋁、顯示器鍍鋁等的蒸發(fā)舟。

15.各種保鮮鍍鋁包裝袋等。

16.各種激光防偽鍍鋁、商標(biāo)燙金材料，各種煙標(biāo)，啤酒標(biāo)、包裝盒，香煙包裝盒鍍鋁等等。

17.化妝品用于口紅的填料，無毒又有潤(rùn)滑性，又有光澤。

未來前景：

由于鋼鐵材料硬度很高，因而加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，金剛石工具在高溫下易分解，且容易與過渡金屬反應(yīng)，而c-BN材料熱穩(wěn)定性好，且不易與鐵族金屬或合金發(fā)生反應(yīng)，可廣泛應(yīng)用于鋼鐵制品的精密加工、研磨等。c-BN除具有優(yōu)良的耐磨性能外，耐熱性能也極為優(yōu)良，在相當(dāng)高的切削溫度下也能切削耐熱鋼、鐵合金、淬火鋼等，并且能切削高硬度的冷硬軋輥、滲碳淬火材料以及對(duì)刀具磨損非常嚴(yán)重的Si-Al合金等。實(shí)際上，由c-BN晶體（高溫高壓合成)的燒結(jié)體做成的刀具、磨具已應(yīng)用于各種硬質(zhì)合金材料的高速精密加工中。

c-BN作為一種寬禁帶（帶隙6.4 eV）半導(dǎo)體材料，具有高熱導(dǎo)率、高電阻率、高遷移率、低介電常數(shù)、高擊穿電場(chǎng)、能實(shí)現(xiàn)雙型摻雜且具有良好的穩(wěn)定性，它與金剛石、SiC和GaN一起被稱為繼Si、Ge及GaAs之后的第三代半導(dǎo)體材料，它們的共同特點(diǎn)是帶隙寬，適用于制作在極端條件下使用的電子器件。與SiC和GaN相比，c-BN與金剛石有著更為優(yōu)異的性質(zhì)，如更寬的帶隙、更高的遷移率、更高的擊穿電場(chǎng)、更低的介電常數(shù)和更高的熱導(dǎo)率。顯然作為極端電子學(xué)材料，c-BN與金剛石更勝一籌。然而作為半導(dǎo)體材料金剛石有它致命的弱點(diǎn)，即金剛石的n型摻雜十分困難（其n型摻雜的電阻率只能達(dá)到102Ω·cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到器件標(biāo)準(zhǔn)），而c-BN則可以實(shí)現(xiàn)雙型摻雜。例如，在高溫高壓合成以及薄膜制備過程中，添加Be可得到P型半導(dǎo)體；添加S、C、Si等可得到n型半導(dǎo)體。因此綜合看來c-BN是性能最為優(yōu)異的第三代半導(dǎo)體材料，不僅能用于制備在高溫、高頻、大功率等極端條件下工作的電子器件，而且在深紫外發(fā)光和探測(cè)器方面有著廣泛的應(yīng)用前景。事實(shí)上，最早報(bào)道了在高溫高壓條件下制成的c-BN發(fā)光二極管，可在650℃的溫度下工作，在正向偏壓下二極管發(fā)出肉眼可見的藍(lán)光，光譜測(cè)量表明其最短波長(zhǎng)為215 nm（5.8 eV）。c-BN具有和GaAs、Si相近的熱膨脹系數(shù)，高的熱導(dǎo)率和低的介電常數(shù)，絕緣性能好，化學(xué)穩(wěn)定性好，使它成為集成電路的熱沉材料和絕緣涂覆層。此外c-BN具有負(fù)的電子親和勢(shì)，可以用于冷陰極場(chǎng)發(fā)射材料，在大面積平板顯示領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在光學(xué)應(yīng)用方面，由于c-BN薄膜硬度高，并且從紫外（約從200 nm開始）到遠(yuǎn)紅外整個(gè)波段都具有高的透過率，因此適合作為一些光學(xué)元件的表面涂層，特別適合作為硒化鋅（ZnSe）、硫化鋅（ZnS）等窗口材料的涂層。此外，它具有良好的抗熱沖擊性能和商硬度，有望成為大功率激光器和探測(cè)器的理想窗窗口材料。

超薄透波絕緣氮化硼膜材

六方氮化硼（h-BN）這種二維結(jié)構(gòu)材料，又名白石墨烯，看上去像著名的石墨烯材料一樣，僅有一個(gè)原子厚度。但是兩者很大的區(qū)別是六方氮化硼是一種天然絕緣體而石墨烯是一種完美的導(dǎo)體。與石墨烯不同的是，h-BN的導(dǎo)熱性能很好，可以量化為聲子形式（從技術(shù)層面上講，一個(gè)聲子即是一組原子中的一個(gè)準(zhǔn)粒子）。有材料專家說道：“使用氮化硼去控制熱流看上去很值得深入研究。我們希望所有的電子器件都可以盡可能快速有效地散射。而其中的缺點(diǎn)之一，尤其是在對(duì)于組裝在基底上的層狀材料來說，熱量在其中某個(gè)方向上沿著傳導(dǎo)平面散失很快，而層之間散熱效果不好，多層堆積的石墨烯即是如此?！迸c石墨中的六角碳網(wǎng)相似，六方氮化硼中氮和硼也組成六角網(wǎng)狀層面，互相重疊，構(gòu)成晶體。晶體與石墨相似，具有反磁性及很高的異向性，晶體參數(shù)兩者也頗為相近。

二維氮化硼散熱膜是一種性能優(yōu)異的均熱散熱材料。傳統(tǒng)的人工石墨膜和石墨烯薄膜具有電磁屏蔽的特性，在5G通訊設(shè)備中的應(yīng)用場(chǎng)景受限，特別是在分布式天線的5G手機(jī)中。二維氮化硼散熱膜具有極低的介電系數(shù)和介電損耗，是一種理想的透電磁波散熱材料，能被用于解決5G手機(jī)散熱問題。

基于二維氮化硼納米片的復(fù)合薄膜，此散熱膜具有透電磁波、高導(dǎo)熱、高柔性、高絕緣、低介電系數(shù)、低介電損耗等優(yōu)異特性，是5G射頻芯片、毫米波天線領(lǐng)域最為有效的散熱材料之一。

高導(dǎo)熱透波絕緣氮化硼膜材主要應(yīng)用

目前消費(fèi)者對(duì)于新能源汽車需求從“里程焦慮”轉(zhuǎn)向“安全焦慮” ，熱失控已經(jīng)成為電動(dòng)車安全問題核心考量因素。熱失控是電池內(nèi)部出現(xiàn)放熱連鎖反應(yīng)引起電池溫升速率急劇變化的過熱現(xiàn)象，發(fā)生時(shí)通常伴隨著冒煙、起火、爆炸等危害。在電池組中,若局部區(qū)域電池發(fā)生的熱失控事件失去控制，將擴(kuò)展到周圍區(qū)域的電池，形成“多米諾骨牌”效應(yīng)，最終引起熱失控在系統(tǒng) 內(nèi)擴(kuò)展而導(dǎo)致極大的危害，因此,熱失控?cái)U(kuò)展的抑制尤為重要。對(duì)良好的機(jī)械安全性，包括抗沖擊能力以及震動(dòng)穩(wěn)定性的需求提升，是使得新能源車內(nèi)導(dǎo)熱、隔熱材料需求提升的原因之一。相比于傳統(tǒng)汽車，電動(dòng)車由于增加了電池、電機(jī)、電控等部件，對(duì)于熱管理所用膠粘劑在性能、數(shù)量上都帶來了更大的市場(chǎng)空間。為平衡電池效率與熱安全保護(hù)，需防止單體熱擴(kuò)散。為了提高能量密度而使用高鎳三元正極材料時(shí)，鋰離子易形成鋰枝晶刺穿內(nèi)部隔膜導(dǎo)致短 路，同時(shí)由于材料間鍵強(qiáng)不同，隨鎳含量的增加電池?zé)岱€(wěn)定性下降。因此為了防止讓電池單體自燃擴(kuò)散至整個(gè)動(dòng)力電池包，一般廠商通過控制 影響（如隔熱）和保持溫度（如泄壓、散熱）兩方面解決。不同電芯使用的防火隔熱材料不同。目前三元電池系統(tǒng)中主要在采用的防火隔熱材料主要有氣凝膠、隔離板、隔熱泡棉、熱陶瓷。由于不同形 狀電芯的膨脹率、比表面積、熱失控難易程度不同，不同公司采用不同防火隔熱材料進(jìn)行隔熱處理。

導(dǎo)熱需求：鋰離子電池充放電電流較大，并伴隨著多種化學(xué)物質(zhì)傳輸和電化學(xué)反應(yīng)，散熱條件較差，引起電池內(nèi)部溫度升高。車輛底盤空間有 限，電池模塊必須緊密排列。然而緊密排列的電池一方面容易導(dǎo)致熱量堆積，且不同位置的電芯往往溫度也不完全一致。離子電池工作溫度 30-40℃時(shí)，溫度每升高1℃，電池使用壽命越降低2個(gè)月。隔熱需求：導(dǎo)熱不暢情況下，過高的溫度易導(dǎo)致冒煙、起火、爆炸等危險(xiǎn)需要有效，需要在有良好的隔熱效果的基礎(chǔ)上保證阻燃效果。保溫需求：低溫下，電解液增稠致使導(dǎo)電介質(zhì)運(yùn)動(dòng)受阻，電化學(xué)反應(yīng)速率和反應(yīng)深度降低，從而導(dǎo)致電池容量下降，動(dòng)力電池宏觀表現(xiàn)出冬季 環(huán)境下電動(dòng)汽車“虧電”現(xiàn)象。除熱管理系統(tǒng)外，動(dòng)力電池通常使用具有高導(dǎo)熱性、強(qiáng)絕緣性的導(dǎo)熱膠為動(dòng)力電池傳導(dǎo)熱量，降低電芯間溫差；隔熱膠則可防止電池內(nèi)部爆炸 時(shí)的熱量快速傳導(dǎo)，在發(fā)生熱失控事故時(shí)給乘客較長(zhǎng)的逃生時(shí)間，此類膠通常絕熱性、耐熱性和阻燃性較好。基于CTP的熱管理方法：新型CTP設(shè)計(jì)可以減少一半的熱界面材料，從原有模組上層電芯至模組(CTM)填縫膠和下層模組至電池包(MTP)的填 縫膠變成1層電芯到冷卻板的導(dǎo)熱膠粘劑；并減少了一半的接口數(shù)量，從原有的4個(gè)變?yōu)楝F(xiàn)有的2個(gè)接口，還去掉了模組外殼。這顯著降低了電 池堆的熱阻，進(jìn)而降低了冷卻板的冷卻（或加熱）負(fù)荷，支持使用導(dǎo)熱率較低的填縫膠。另一方面，由于不再使用模組外殼來防止電池受到環(huán) 境影響，需要導(dǎo)熱膠擁有更嚴(yán)格的環(huán)境耐受性和機(jī)械性能。

TIM熱管理材料分類の紹介

一

概述

熱管理，包括熱的傳導(dǎo)、分散、存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換，正在成為一門新興的橫跨物理、電子和材料等的交叉學(xué)科，在電子、電池、汽車等行業(yè)都有特定的概念和含義，其中的熱管理材料發(fā)揮了舉足輕重的作用，與其它控制單元協(xié)同運(yùn)作保證了工作系統(tǒng)正常運(yùn)行在適當(dāng)?shù)臏囟取?/span>

伴隨著5G、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、國(guó)家重大戰(zhàn)略需求等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，電子器件功率密度持續(xù)攀高，更急需高效的熱管理材料和方案來保證產(chǎn)品的效率、可靠性、安全性、耐用性和持續(xù)穩(wěn)定性。熱管理材料是熱管理系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而成分、結(jié)構(gòu)及加工工藝對(duì)熱管理材料的核心技術(shù)指標(biāo)熱傳導(dǎo)率有重大影響。

圖1 電子設(shè)備熱管理系統(tǒng)

二

TIM熱管理材料

2-1 熱界面材料（Thermal Interface Material, TIM）

選擇理想的熱界面材料需要關(guān)注如下因素：

1）熱導(dǎo)率：熱界面材料的體熱導(dǎo)率決定了它在界面間傳遞熱量的能力，減少熱界面材料本身的熱阻；

2）熱阻：理想情況下應(yīng)盡可能低，以保持設(shè)備低于其工作溫度；

3）導(dǎo)電性：通常是基于聚合物或聚合物填充的不導(dǎo)電材料；

4）相變溫度：固體向液體轉(zhuǎn)變，界面材料填充空隙，保證所有空氣被排出的溫度；

5）粘度：相變溫度以上的相變材料粘度應(yīng)足夠高，以防止在垂直方向放置時(shí)界面材料流動(dòng)滴漏；

6）工作溫度范圍：必須適應(yīng)應(yīng)用環(huán)境；

7）壓力：夾緊產(chǎn)生的安裝壓力可以顯著改善TIM的性能，使其與表面的一致性達(dá)到最小的接觸電阻；

8）排氣：當(dāng)材料暴露在高溫和/或低氣壓下時(shí)，這種現(xiàn)象是揮發(fā)性氣體的釋放壓力；

9）表面光潔度：填充顆粒影響著界面的壓實(shí)和潤(rùn)濕程度，需要更好地填補(bǔ)了不規(guī)則表面的大空隙；

10）易于應(yīng)用：容易控制材料應(yīng)用的量；

11）材料的機(jī)械性能：處于膏狀或液態(tài)易于分配和打?。?/p>

12）長(zhǎng)期的穩(wěn)定性和可靠性：需要在設(shè)備的整個(gè)壽命周期內(nèi)始終如一地執(zhí)行（如微處理器7-10年，航空電子設(shè)備和電信設(shè)備的壽命預(yù)計(jì)為數(shù)十年）；13）成本：針對(duì)不同應(yīng)用，在性能、成本和可制造性等因素進(jìn)行綜合權(quán)衡。

2-1-1 熱油脂（Thermal Greases）

通常由兩種主要成分組成，即聚合物基和陶瓷或金屬填料。硅樹脂因其良好的熱穩(wěn)定性、潤(rùn)濕性和低彈性模量而被廣泛應(yīng)用，陶瓷填料主要使用如氧化鋁、氮化鋁、氧化鋅、二氧化硅和鈹?shù)难趸锏?，常用的金屬填料如銀和鋁。將基礎(chǔ)材料和填料混合成可用于配合表面的糊狀物，當(dāng)應(yīng)用在“粗糙”的表面被壓在一起時(shí)，油脂會(huì)流進(jìn)所有的空隙中以去除間隙空氣。2-1-2 相變材料（Phase Change Materials, PCM）PCM傳統(tǒng)上是低溫?zé)崴苄阅z黏劑，通常在50-80°C范圍內(nèi)熔化，并具有多種配置，以增強(qiáng)其導(dǎo)熱性；基于低熔點(diǎn)合金和形狀記憶合金的全金屬相變材料已經(jīng)有研究發(fā)展。相變材料通常設(shè)計(jì)為熔點(diǎn)低于電子元件的最高工作溫度。熱墊（Thermal Pads）熱墊的關(guān)鍵是它們改變物理特性的能力。在室溫下，它們是堅(jiān)固的，容易處理，當(dāng)電子元件達(dá)到其工作溫度時(shí)，相變材料變軟，隨著夾緊壓力，它最終開始像油脂一樣流入接頭的空隙中，該材料填補(bǔ)了空氣間隙和空隙，改善了組件和散熱器之間的熱流。相比于油脂材料熱墊不受泵出效應(yīng)和干問題困擾。低熔點(diǎn)合金（Low Melting Alloys, LMAs）基于低熔點(diǎn)合金（或稱為液態(tài)金屬）的相變熱界面材料，需要在低于電子元件工作溫度的液態(tài)狀態(tài)下才能流入所有的表面邊緣。低熔點(diǎn)合金具有優(yōu)異的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性，而且性質(zhì)穩(wěn)定、常溫下不與水反應(yīng)，不易揮發(fā)、安全無毒。通過不同的配方可實(shí)現(xiàn)不同熔點(diǎn)、不同粘度、不同熱導(dǎo)率/電導(dǎo)率，以及不同物理形態(tài)的液態(tài)金屬材料。鉍、銦、鎵和錫基合金（如鎵鋁合金、鎵鉍合金、鎵錫合金、鎵銦合金）是最常用的合金，通常不使用有毒性和環(huán)境問題的鎘、鉛和汞基合金。形狀記憶合金（Shape Memory Alloys, SMA）將一種或多種形狀記憶合金顆粒分散在熱油脂中，并在設(shè)備工作溫度下應(yīng)用于熱源和散熱器之間的界面，研究表明形狀記憶合金增強(qiáng)了電子器件與散熱器之間的熱接觸。在電子器件使用過程中，溫度的升高使形狀記憶合金由低溫馬氏體相變?yōu)楦邷貖W氏體相變。片狀剝離粘土（Exfoliated Clay）將一種或多種聚合物、導(dǎo)熱填料和剝離粘土材料組成一種相變材料，在粘土剝離成熱界面材料的過程中，粘土顆粒彌散成長(zhǎng)徑比大于200且表面積大的片狀結(jié)構(gòu)。由于高長(zhǎng)徑比，只需要少量顆粒小于10wt%的粘土顆粒就能顯著提高TIM的熱性能；也有人認(rèn)為，這些粒子減緩了氧氣和水通過界面材料的擴(kuò)散和減慢了揮發(fā)性組件的釋放速度，從而減少了泵出和干出，提高了TIM的可靠性和性能。熔絲/不熔的填料（Fusible/Non-Fusible Fillers）將硅樹脂等聚合物與可熔性填料（如焊料粉末）結(jié)合而成的混合物TIM，在固化過程中，焊料顆?；亓魅诤显谝黄鹦纬筛邔?dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。還可以在相變材料中添加難熔填料，以形成易熔和難熔填料的混合物，從而增強(qiáng)TIM的機(jī)械性能。當(dāng)熱通過滲透（即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的顆粒接觸）傳導(dǎo)時(shí)，不可熔顆粒也會(huì)增加基體的熱導(dǎo)率。測(cè)試的非易熔顆粒填料材料包括氧化鋅、鋁、氮化硼、銀、石墨、碳纖維、金剛石和金屬涂層填料，如金屬涂層碳纖維或金屬涂層金剛石，在熱界面材料中，推薦易熔填料比例為60-90wt%和非易熔填料比例為5-50wt%。

2-1-3熱傳導(dǎo)彈性體（Thermally Conductive Elastomers）熱傳導(dǎo)彈性體（或稱為凝膠，Gels）通常由填充有熱傳導(dǎo)陶瓷顆粒的硅彈性體組成，可以用編織玻璃纖維或電介質(zhì)膜等增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度。彈性體通常用于需要電絕緣的設(shè)備中，彈性材料的TIMs不像油脂可自由流動(dòng)，為了符合表面的不規(guī)則性，需要足夠的壓縮載荷來變形。在低壓力下，彈性體不能填充表面之間的空隙，熱界面電阻高；隨著壓力的增加，彈性體填充了更多的微觀空隙，熱阻減小。若組裝完成，就需要永久性的機(jī)械緊固件來保持連接，所獲得的熱阻取決于厚度、夾緊壓力和體積導(dǎo)熱系數(shù)。2-1-4 碳基熱界面材料（Carbon Based TIMS）碳纖維/納米纖維（Carbon Fibre/Nano-Fibre）通過精密切割連續(xù)的高導(dǎo)熱碳纖維束和靜電植絨纖維排列在基材上，并用一層薄薄的未固化粘合劑固定形成一個(gè)天鵝絨一樣的結(jié)構(gòu)?；陌ń饘俨?、聚合物和帶有粘合劑的碳片，如硅樹脂、環(huán)氧樹脂和陶瓷粘合劑纖維，它們可以獨(dú)立彎曲以跨越局部間隙，同時(shí)需要較低的接觸壓力以確保每根纖維都能接觸兩個(gè)表面。石墨片（Graphite Flakes）把蠕蟲石墨在沒有粘合劑的情況下壓縮在一起，形成一個(gè)有粘性的高純度石墨薄片，這些柔性材料最初是用于流體密封的墊片（如內(nèi)燃機(jī)的封頭墊片），由于石墨片材料具有天然的多孔性，將其浸漬礦物油或合成油等聚合物可用于開發(fā)特定等級(jí)的高性能柔性石墨片用于TIM應(yīng)用。碳納米管（Carbon Nanotubes）結(jié)合碳納米管結(jié)構(gòu)及導(dǎo)熱特性，它在熱管理技術(shù)中潛在的應(yīng)用方向主要包括：(1) 將碳納米管作為添加劑改善各種聚合物基體內(nèi)的熱傳遞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而發(fā)展高性能導(dǎo)熱樹脂、電子填料或黏合劑；(2) 構(gòu)建自支撐碳納米管薄膜結(jié)構(gòu), 通過調(diào)制碳納米管取向分布實(shí)現(xiàn)不同方向的傳熱；(3) 發(fā)展碳納米管豎直陣列結(jié)構(gòu)，通過管間填充、兩端復(fù)合實(shí)現(xiàn)熱量沿著碳納米管高熱導(dǎo)率的軸向方向傳輸，以期為兩個(gè)界面間熱的輸運(yùn)提供了有效的通道開發(fā)高性能[3]。最常見的基于碳納米管TIMs主要分為三類，按照制造復(fù)雜性的順序排列如下：碳納米管和碳納米管與金屬顆粒在聚合物基體中的均勻混合，碳納米管在襯底上的垂直排列生長(zhǎng)，以及在芯片和熱分布器之間的兩面排列生長(zhǎng)。在碳納米管TIMs中，碳納米管各向異性的結(jié)構(gòu)物性特點(diǎn)及與其它材料接觸界面熱阻過大的問題是需要研究者們重點(diǎn)關(guān)注研究的方向。電子裝置的總熱阻通常包括裝置本身對(duì)環(huán)境的熱耗散和TIM之間的接觸熱阻。而功率損耗的增加是一種趨勢(shì)，將需要具有更高性能、最低熱阻和長(zhǎng)期可靠性的熱界面材料。石墨烯（Graphene）石墨烯熱界面材料主要以石墨烯或石墨烯與碳納米管、金屬等復(fù)合作為導(dǎo)熱填料，材料基體主要以環(huán)氧樹脂（導(dǎo)熱膠黏劑）為主要研究方向，其它基體如硅油、礦物油、硅橡膠、聚丙烯酸酯、聚乙烯、聚氨酯等。石墨烯作為導(dǎo)熱填料的原料主要包括石墨烯片、剝離膨脹石墨烯片層、單層和多層石墨烯、單壁碳納米管和石墨烯、多壁碳納米管和石墨烯、聯(lián)苯胺功能化石墨烯、石墨烯和銀顆粒及氧化石墨烯等添加形式。單層或少層石墨烯還可以用于高功率電子器件散熱，如將化學(xué)氣相沉積（CVD）法制備的石墨烯轉(zhuǎn)移到高功率芯片上。其散熱效果取決于石墨烯片的大小及層數(shù)，且在轉(zhuǎn)移過程中易引入雜質(zhì)或產(chǎn)生褶皺和裂紋，也會(huì)影響石墨烯散熱效果。提高CVD法制備的石墨烯質(zhì)量和優(yōu)化轉(zhuǎn)移方法減少其轉(zhuǎn)移過程中的損壞，或直接將石墨烯生長(zhǎng)在功率芯片表面，是提高石墨烯散熱效果的主要方法。將石墨烯制備成宏觀薄膜應(yīng)用于熱管理中也是一種重要的途徑，主要方法有：將液相剝離石墨烯經(jīng)過旋涂、滴涂、浸涂、噴涂和靜電紡絲等方式成膜；將氧化石墨烯通過高溫還原或者化學(xué)還原成膜；將石墨烯和碳纖維復(fù)合成膜；或者將石墨烯薄膜制備成三維形狀成膜等。石墨烯需要和器件基板接觸，因此減少石墨烯薄膜和基板間的接觸熱阻是石墨烯熱管理應(yīng)用必須考慮的問題，如采用共價(jià)鍵、功能化分子等方式。石墨烯薄膜性能和價(jià)格有優(yōu)勢(shì)才能取代目前主流的石墨膜（PI）散熱片，這對(duì)石墨烯薄膜產(chǎn)業(yè)化是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

三

封裝材料

電子封裝材料是半導(dǎo)體芯片與集成電路連接外部電子系統(tǒng)的主要介質(zhì)，對(duì)電子器件的使用影響重大。理想的電子封裝材料應(yīng)滿足如下性能要求：（1）高的熱導(dǎo)率，保證電子器件正常工作時(shí)產(chǎn)生的熱量能及時(shí)散發(fā)出去；（2）熱膨脹系數(shù)需要與半導(dǎo)體芯片相匹配，避免升溫和冷卻過程中由于兩者不匹配而導(dǎo)致的熱應(yīng)力熱應(yīng)力損壞；（3）低密度，用在航天、軍事等方面，便于攜帶；（4）綜合的力學(xué)性能，封裝材料對(duì)電子元器件需起到支撐作用。

圖2 典型封裝材料的熱膨脹系數(shù)及熱導(dǎo)率與密度比值3-1 焊料

鉛錫焊料由于熔點(diǎn)低、性價(jià)比高等特點(diǎn)成為低溫焊料中最主要的焊料系列，但由于所含鉛的比例高給環(huán)境帶來了嚴(yán)重的污染，世界各國(guó)都在對(duì)性能相近或更高的無鉛焊料進(jìn)行重點(diǎn)研究。

新的元素添加到基于Sn體系中有如下基本要求：1）降低純錫表面張力，提高潤(rùn)濕性；2）使焊料和基體之間通過擴(kuò)散快速形成金屬間化合物；3）提高Sn的延性；4）防止b-Sn轉(zhuǎn)變?yōu)閍 -Sn，導(dǎo)致不必要的體積變化，降低焊料的結(jié)構(gòu)完整性和可靠性；5）在液相可以轉(zhuǎn)變?yōu)閮煞N或兩種以上固相的情況下，用共晶或近共晶成分保持熔點(diǎn)在183℃左右；6）改善機(jī)械性能（如蠕變、熱-機(jī)械疲勞、振動(dòng)和機(jī)械沖擊、剪切和熱老化）；7）防止錫晶須過度生長(zhǎng)。

已被人們研究的可替代Sn-Pb體系中鉛的金屬有Ag、Bi、Cd、Cu、In、Sb、Zn、Al等，主要被研究開發(fā)的合金體系有：Sn-Ag-Cu、Sn-Cu、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu-Bi、Bi–In、Sn–In、Sn –Bi、Sn–Bi–In、Sn–Zn–Bi、Sn–Zn等系列，另外活性納米粒子（如Co、Ni、Pt、Pd、Al、P、Cu、Zn、Ge、Ag、In、Sb、Au、TiO 2、SiC、Al2O3、SWCNT、SiO2、Cu–Zn、Cu6Sn5、Ag3Sn等）的添加可以改變焊料的微觀結(jié)構(gòu)、熔化溫度、潤(rùn)濕性和機(jī)械性能。

無論在學(xué)術(shù)研究還是工業(yè)應(yīng)用，由于高或低的熔點(diǎn)、高界面生長(zhǎng)、低潤(rùn)濕性、低耐蝕性和成本等問題，很難用任何一種焊料合金來代替所有的Sn-Pb焊料?，F(xiàn)實(shí)的解決方案可能是通過與其他合金元素相結(jié)合來進(jìn)行適當(dāng)?shù)膽?yīng)用，或者通過研究焊料合金的物理冶金和加工條件，改善焊料的微觀結(jié)構(gòu)和可靠性，及尋找具有良好重復(fù)性的工業(yè)規(guī)模合成路線等。

3-2 聚合物基復(fù)合材料

導(dǎo)熱聚合物材料的研究主要集中在填充型導(dǎo)熱聚合物材料方向，

聚合物基體主要有：HDPE、UHMWPE、LCP、POM、LDPE、EVA、PPS、PBT、PTFE、PA66、PA6、PEEK、PSU、PMMA、PC、TPU、ABS、PVC、PVDF、SB、SAN、PET、PS、PVDC、PIB、PP、PI；

導(dǎo)熱填料類型主要有：（1）金屬類，如銅、銀、金、鎳和鋁等；（2）碳類，如無定型碳、石墨、金剛石、碳納米管和石墨烯等；（3）陶瓷類，如氮化硼（BN）、氮化鋁（A1N）、氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）、氧化鎂（MgO）、氧化鈹（BeO）、氧化鋁（Al2O3）、氧化鋅（ZnO）、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(tuán)聚、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等都對(duì)聚合物基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率有很大的影響。

聚合物基復(fù)合材料有如下特性：1）可通過選擇適當(dāng)?shù)奶盍蟻砜刂齐姎饨^緣和電氣傳導(dǎo)；2）易加工的整體零件或復(fù)雜的幾何形狀；3）重量輕；4）耐腐蝕；5）若使用柔性聚合物，則須符合相鄰粗糙表面的幾何形狀；6）聚合物復(fù)合材料的回彈性會(huì)引起振動(dòng)阻尼。聚合物基復(fù)合材料不僅應(yīng)用于電子封裝，還應(yīng)用于LED器件、電池和太陽電池等。

3-2 金屬基復(fù)合材料

金屬基復(fù)合材料通過改變?cè)鰪?qiáng)相種類、體積分?jǐn)?shù)、排列方式或復(fù)合材料的熱處理工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)可調(diào)的功能，并綜合金屬基體優(yōu)良的導(dǎo)熱性、可加工性和增強(qiáng)體高導(dǎo)熱、低熱膨脹的優(yōu)點(diǎn)，能夠制備出熱物理性能與電子器件材料相匹配的封裝材料。

金屬基復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的主要影響因素為增強(qiáng)體和金屬基體的物性，如種類、含量、形狀、尺寸及純度等。目前工藝成熟且性能穩(wěn)定得到廣泛應(yīng)用的是高體積分?jǐn)?shù)SiC顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料（熱導(dǎo)率達(dá)200W/（m·K）、熱膨脹系數(shù)為7.8×10-6K-1，密度僅為3.0g/cm3），而為了開發(fā)熱導(dǎo)率更高的金屬基復(fù)合材料，目前主要的研究方向是金剛石、石墨烯等增強(qiáng)的鋁基、銅基和銀基復(fù)合材料，但此類金屬基體與金剛石或石墨烯之間潤(rùn)濕性較差，界面效應(yīng)成為制約其性能的瓶頸。

3-2-1單項(xiàng)增強(qiáng)體金屬基復(fù)合材料

纖維：包括碳纖維增強(qiáng)銅基和鋁基復(fù)合材料（Cf/Cu、Cf/Al、），碳化硅纖維增強(qiáng)銅基復(fù)合材料（SiCf/Cu），以及金剛石纖維增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，材料體中纖維以空間隨機(jī)分布、平面隨機(jī)分布和單向分布。

片體：如石墨片、石墨烯納米片等二維平面結(jié)構(gòu)材料。

顆粒：常見的有石墨顆粒、硅顆粒、碳化硅、金剛石等，其中Si/Al，SiC/Al廣泛應(yīng)用于電子封裝工業(yè)。

網(wǎng)絡(luò)互穿：增強(qiáng)相與基體相在空間都保持連續(xù)分布，從而可弱化復(fù)合界面對(duì)材料熱學(xué)性能的顯著影響，如C/Al、（SiC+C）/Al、CNTs/Cu等復(fù)合材料。

3-2-2 混雜增強(qiáng)體金屬基復(fù)合材料

顆粒-顆粒：包括雙粒度同質(zhì)顆粒、雙粒度異質(zhì)顆粒和等粒徑異質(zhì)顆粒等，如雙粒度SiC/Al、等粒徑（Dia+SiC）/Al等復(fù)合材料。

顆粒-片體：理論上有望彌補(bǔ)片體各向異性和顆粒增強(qiáng)效率低，同時(shí)發(fā)揮片體在半導(dǎo)體器件平面方向上的低膨脹與顆粒高導(dǎo)熱的作用，或者實(shí)現(xiàn)片體在平面方向上的高導(dǎo)熱與顆粒抑制熱膨脹的作用相匹配，如石墨片+碳化硅浸滲液相鋁合金復(fù)合材料。

納米材料：不僅有優(yōu)異的力學(xué)性能、極低的熱膨脹系數(shù)，而且具有很高的導(dǎo)熱性能，如碳納米纖維、碳納米管、石墨烯納米片、納米金剛石等。利用粉末冶金方法、片狀粉末冶金方法、選擇性涂布浸漬、金屬箔冷軋退火等工藝，可制備如納米項(xiàng)增強(qiáng)材料如碳納米管與金屬粉末（銅粉末）、片狀粉末冶金（CNTs/Al、CNTs/Cu及GNS/Al）等復(fù)合材料。納米相表面金屬化有望改善由納米相豐富的比表面積和金屬基體穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)帶來的界面結(jié)合困難問題，常用方法有（電）化學(xué)鍍銅、鍍鎳等]。

3-3相變材料

相變材料（Phase Change Materials, PCM）是利用物質(zhì)在相變（如凝固/熔化、凝結(jié)/汽化、固化/升華等）過程發(fā)生的相變熱來進(jìn)行熱量的儲(chǔ)存和利用的潛熱存儲(chǔ)材料。

圖3 儲(chǔ)能材料的分類

PCM根據(jù)其化學(xué)成分可歸類為有機(jī)和無機(jī)相變材料。有機(jī)相變材料主要由烷烴制成，包括石蠟、脂肪醇 、脂肪酸、蠟及烷烴基合金等；無機(jī)相變材料包括熔鹽、鹽水合物和金屬等；另一類相變材料包括有機(jī)-無機(jī)、無機(jī)-無機(jī)和有機(jī)-有機(jī)化合物的共晶混合物。

無機(jī)共晶混合物適用于高溫?zé)岽鎯?chǔ)系統(tǒng)，如集中太陽能熱電廠；有機(jī)共晶體適用于低溫儲(chǔ)熱，如維持建筑溫度，用于電池組的熱管理系統(tǒng)等；石蠟、脂肪酸和脂肪醇等有機(jī)化合物熔點(diǎn)低（10?60℃），適用于家用熱存儲(chǔ)。直鏈烴石蠟具有熔融熱高、低蒸氣壓、化學(xué)惰性、無相分離的自發(fā)成核等理想特性，是目前研究最多的有機(jī)PCM 之一，但石蠟的熱導(dǎo)率僅為0.2W/(m·K )，增加了其熔化時(shí)間以及蓄熱系統(tǒng)的充熱時(shí)間，因此向石蠟中加入高熱導(dǎo)率填料形成PCM復(fù)合材料是研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

PCM材料要注意的問題:

1、傳統(tǒng)的PCM性質(zhì)分析方法局限性：1）分析少量樣本（1-10毫克），盡管PCMs的某些行為取決于其數(shù)量；2）分析儀器復(fù)雜而昂貴；3）無法直觀觀察到相變。

2、長(zhǎng)期穩(wěn)定性：1）PCM-容器系統(tǒng)的穩(wěn)定性，儲(chǔ)存材料和容器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性不足是限制潛熱儲(chǔ)存廣泛使用的一個(gè)問題。一個(gè)相關(guān)的方面是這些系統(tǒng)的使用壽命，以及它們?cè)诓唤档托阅艿那闆r下能夠承受的循環(huán)次數(shù)；2）材料腐蝕，大多數(shù)關(guān)于鹽水合物腐蝕試驗(yàn)的文獻(xiàn)都是用稀釋的鹽水合物進(jìn)行的，通常在化學(xué)工業(yè)中使用，只有少數(shù)結(jié)果是基于對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的觀察；3）材料封裝，如不同的幾何形狀，有機(jī)共晶的結(jié)晶過程，不同組分比例的包封，封裝濃縮空隙，微膠囊化等。

四

隔熱材料

隔熱材料主要是指具有絕緣性能、對(duì)熱流可起屏蔽作用的材料或材料復(fù)合體，通常具有質(zhì)輕、疏松、多孔、導(dǎo)熱系數(shù)小的特點(diǎn)，工業(yè)上廣泛用于防止熱工設(shè)備及管道的熱量散失，或者在冷凍和低溫條件下使用，因此又被稱為保溫或保冷材料，同時(shí)由于其多孔或纖維狀結(jié)構(gòu)具有良好的吸聲功能，也廣泛用于建筑行業(yè)。

4-1 材質(zhì)分類

隔熱材料依據(jù)材質(zhì)可分為無機(jī)隔熱材料、有機(jī)隔熱材料、金屬及其夾層隔熱材料。

無機(jī)材料：（1）天然礦物，如石棉、硅藻土等；（2）人造材料，如陶瓷棉、玻璃棉、多孔類隔熱磚和泡沫材料。此類材料具有不腐爛、不燃燒、耐高溫等特點(diǎn)，多用于熱工設(shè)備及管道保溫。

有機(jī)材料：（1）天然有機(jī)類，如軟木、織物纖維、獸毛等；（2）人造或合成有機(jī)類，如人造纖維、泡沫塑料、泡沫橡膠等；（3）蜂窩材料，如蜂窩紙、蜂窩板。此類材料具有導(dǎo)熱系數(shù)極小、耐低溫、易燃等特點(diǎn)，適用于普冷下的保冷材料。

金屬及其夾層隔熱材料：（1）金屬材料，如銅、鋁、鎳等箔材；（2）金屬箔與有機(jī)或無機(jī)材料的夾層（或蜂窩）復(fù)合材料。此類材料具有很高的紅外輻射反射率，主要應(yīng)用于航空航天中的高溫?zé)岱雷o(hù)領(lǐng)域。

4-2 形態(tài)分類

隔熱材料依據(jù)材料形態(tài)分為多孔隔熱材料、纖維狀隔熱材料、粉末狀隔熱材料和層狀隔熱材料。

多孔材料又稱泡沫隔熱材料，具有質(zhì)量輕、絕緣性能好、彈性好、尺寸穩(wěn)定、耐穩(wěn)定性差等特點(diǎn)，主要有泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫橡膠、硅酸鈣、輕質(zhì)耐火材料等。

纖維狀隔熱材料又可分為有機(jī)纖維、無機(jī)纖維、金屬纖維和復(fù)合纖維等，工業(yè)上主要應(yīng)用的是無機(jī)纖維，如石棉、巖棉、玻璃棉、硅酸鋁陶瓷纖維、晶質(zhì)氧化鋁纖維等。

粉末狀隔熱材料主要有硅藻土、膨脹珍珠巖及其制品，主要應(yīng)用在建筑和熱工設(shè)備上。

4-3 新型隔熱材料

4-3-1 氣凝膠保溫隔熱材料

氣凝膠通常是指以納米量級(jí)超微顆粒相互聚集構(gòu)成的納米多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并在網(wǎng)絡(luò)孔隙中充滿氣態(tài)分散介質(zhì)的輕質(zhì)納米固態(tài)材料，孔隙率高達(dá)80%~99.8%，密度低至0.003g/cm3，常溫?zé)釋?dǎo)率低于空氣，是一種較為理想的輕質(zhì)、高效隔熱材料。

氣凝膠隔熱材料主要包括SiO2氣凝膠、ZrO2氣凝膠、Al2O3氣凝膠、Si-C-O氣凝膠及碳基氣凝膠（如石墨烯氣凝膠）等，在建筑、石化、航空航天等領(lǐng)域有廣泛使用。如民用領(lǐng)域的氣凝膠透明玻璃墻體、硅氣凝膠夾芯板及柔性氣凝膠隔熱氈等，廣泛應(yīng)用于管道、飛機(jī)、汽車等保溫體系中；航天航空領(lǐng)域的陶瓷纖維-氣凝膠復(fù)合隔熱瓦等。

4-3-2 碳質(zhì)保溫隔熱材料

碳?xì)质且环N低強(qiáng)碳纖維，主要可由聚丙烯腈纖維、瀝青（石油瀝青和煤瀝青）碳纖維、酚醛纖維、纖維素（即粘膠人造絲）纖維等制成，其導(dǎo)熱系數(shù)小、熱容量低、密度小、線膨脹系數(shù)小、耐高溫、耐熱沖擊強(qiáng)、耐化學(xué)腐蝕性強(qiáng)、高純無污染等優(yōu)異特性，主要應(yīng)用于晶體硅鑄錠爐、柴油車尾氣過濾器用陶瓷燒結(jié)、金屬熱處理、稀土類磁性材料制造、半導(dǎo)體晶圓生產(chǎn)設(shè)備、真空電阻爐、感應(yīng)爐、燒結(jié)爐、熱處理爐等。

4-3-3 復(fù)合保溫隔熱材料

復(fù)合硅酸鹽保溫材料具有可塑性強(qiáng)、導(dǎo)熱系數(shù)低、耐高溫、漿料干燥收縮率小等特點(diǎn)，主要有硅酸鎂、硅鎂鋁、稀土復(fù)合材料等。海泡石保溫隔熱材料是復(fù)合硅酸鹽保溫材料中的佼佼者，硅酸鋁耐火纖維可以制作薄層陶瓷纖維隔熱層，或者纖維墊、纖維氈、纖維板、纖維紙、纖維繩及織物等，可廣泛用于航空航天領(lǐng)域等。

隔熱保溫材料是節(jié)約能源的一個(gè)有效手段，開發(fā)科技含量高、性能優(yōu)良且穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、制造成本低、環(huán)境友好的隔熱材料是未來發(fā)展的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，其中憎水性保溫隔熱材料（如硅酸鹽材料）、泡沫類保溫隔熱材料（如應(yīng)用于核工業(yè)的泡沫陶瓷、建筑隔熱的泡沫玻璃等）、環(huán)境友好型保溫隔熱材料（如利用粉煤灰制備熱工窯爐用隔熱材料）等是主要的發(fā)展方向。

五

熱電材料

圖4 熱電制冷器件

熱電制冷器件是利用熱電材料的Peltier效應(yīng)，可以在通入電流的條件下將熱從高溫端轉(zhuǎn)移到低溫端，實(shí)現(xiàn)電到熱的轉(zhuǎn)化，提高電子模塊封裝的冷卻效果，從而減少芯片結(jié)溫或適應(yīng)更高的功耗。理想的熱電材料需要高的無量綱優(yōu)值（zT），即低的熱導(dǎo)率、高的功率因子；熱電制冷器件具有小巧、無噪音、沒有活動(dòng)部件等優(yōu)勢(shì)、還可以進(jìn)行主動(dòng)溫度控制，是固態(tài)激光器、焦平面特測(cè)器陣列等必備冷卻裝置，還可以利用Peltier效應(yīng)的逆效應(yīng)Seebeck效應(yīng)將汽車尾氣等熱能轉(zhuǎn)化為電能[3]。

熱電制冷器件可調(diào)節(jié)的熱流量大小有限，能效比（Coefficient of Performance，COP）要比傳統(tǒng)的冷凝系統(tǒng)低，并依賴于應(yīng)用環(huán)境（通常小于1），意味著熱電制冷器件所消耗的電能相當(dāng)/或大于元器件被冷卻的功率耗散，這些缺點(diǎn)主要是由于熱電材料本身的局限所致，所以熱電制冷器件目前僅應(yīng)用在相對(duì)較低的熱流量場(chǎng)合。為了改善熱電制冷器件的性能，開發(fā)高性能的熱電材料是業(yè)界主要的研究方向之一。

圖5 n型（a）及 P型（b）典型熱電材料的無量綱優(yōu)值 zT

六

小結(jié)

從工程應(yīng)用的角度而言，對(duì)于熱管理材料的要求是多方面的。例如，希望熱界面材料在具有高熱導(dǎo)率的同時(shí)保持高的柔韌性和絕緣性；對(duì)于高導(dǎo)熱封裝材料，則希望高的熱導(dǎo)率和與半導(dǎo)體器件相匹配的熱膨脹率；對(duì)于相變儲(chǔ)熱材料，則希望高的儲(chǔ)熱能力和熱傳導(dǎo)能力。為了同時(shí)兼顧這些特性，將不同的材料復(fù)合化在一起從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求的整體性能是熱管理材料的發(fā)展趨勢(shì)，性能主要影響因素有增強(qiáng)體的物性（熱導(dǎo)率、熱膨脹率、體積分?jǐn)?shù)、形狀及尺寸）、基體的物性（熱導(dǎo)率和熱膨脹率等）、增強(qiáng)體/基體的界及增強(qiáng)體在基體中的空間分布（彌散或連續(xù)分布）。
近來人們研究發(fā)現(xiàn)，材料的非均勻復(fù)合構(gòu)型（如混雜、層狀、環(huán)狀、雙峰、梯度、多孔、雙連續(xù)/互穿網(wǎng)絡(luò)、分級(jí)、諧波等）更有利于發(fā)揮復(fù)合設(shè)計(jì)的自由度和復(fù)合材料中不同組元間的協(xié)同耦合效應(yīng)，復(fù)合界面（亞微米尺度界面層）的微觀結(jié)構(gòu)精細(xì)調(diào)控（化學(xué)成分、結(jié)合狀態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)及物相組成等）影響著界面處產(chǎn)生的界面應(yīng)力、界面化學(xué)反應(yīng)、界面組分偏析、界面結(jié)晶等界面效應(yīng)，導(dǎo)致界面處熱及力學(xué)性能的不同，從而顯著影響到復(fù)合材料的熱導(dǎo)率及熱膨脹率，這些已經(jīng)成為熱管理材料復(fù)合化研究的主要方向。

高導(dǎo)熱絕緣氮化硼硅膠の導(dǎo)熱墊片

一

簡(jiǎn)介

二

性能參數(shù)

三

產(chǎn)品特性

四

產(chǎn)品應(yīng)用