導(dǎo)熱吸波材料的研究歷程和最新研究進展

摘要：隨著電子設(shè)備功率密度的提高，電子器件的電磁兼容和散熱問題日趨嚴重，兼具雙功能特性的導(dǎo)熱吸波材料成為解決該問題的新趨勢。目前，該類材料主要的研發(fā)思路是在高分子基體中同時加入導(dǎo)熱填料和吸波劑以實現(xiàn)材料的導(dǎo)熱吸波雙功能。然而，橡膠等高分子材料中功能填料添加量存在最大限度，導(dǎo)熱填料與吸波劑添加量存在此消彼長的問題，難以實現(xiàn)兩種性能的協(xié)同提升。目前，尚無有效手段解決這一難題，只能通過協(xié)調(diào)兩種功能填料的添加比例，確定材料導(dǎo)熱和吸波性能的最優(yōu)平衡點。

鑒于影響材料導(dǎo)熱性能和吸波性能的因素很多，且各因素之間相互影響，本領(lǐng)域?qū)W者通過研究填料組分之間的關(guān)系，綜合分析了粒徑、結(jié)構(gòu)參數(shù)和成型工藝參數(shù)等因素對材料性能的影響，最終得到了對實際應(yīng)用具有較高指導(dǎo)價值的組分調(diào)節(jié)機理和方法。經(jīng)過十多年的發(fā)展，導(dǎo)熱吸波材料的制備技術(shù)取得了長足進步，但仍存在一些技術(shù)瓶頸沒有突破，制約著整個行業(yè)的發(fā)展。例如，缺乏材料微觀結(jié)構(gòu)和功能單元模型、通用設(shè)計理論不能指導(dǎo)實際工業(yè)生產(chǎn)、尚無兼具導(dǎo)熱與吸波功能的單組分填料等問題都嚴重制約了導(dǎo)熱吸波材料基礎(chǔ)設(shè)計理論的發(fā)展。在導(dǎo)熱吸波材料的工業(yè)化生產(chǎn)過程中，材料導(dǎo)熱性能測試標準種類多，測試結(jié)果不具有對比性，而吸波性能目前存在兩種評價方法，其在評價指標、測試原理、測試方法和測試標準等方面存在較大差異，檢測結(jié)果無法橫向比較。綜上，目前導(dǎo)熱吸波材料的性能評價缺少統(tǒng)一規(guī)范的標準，嚴重制約了產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。同時，導(dǎo)熱吸波材料的主要功能指標還需要進一步提升，以滿足實際使用的需求。

本文綜述了導(dǎo)熱吸波材料的研究歷程和最新研究進展，分析了導(dǎo)熱吸波材料研究中需要解決的問題，并展望了其未來的研究熱點和技術(shù)發(fā)展方向，旨在為制備高性能導(dǎo)熱吸波材料提供參考，提升行業(yè)技術(shù)水平，改善產(chǎn)品性能。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)熱吸波材料 導(dǎo)熱性能 吸波性能

引言

隨著電子設(shè)備功率和集成度提升，系統(tǒng)內(nèi)部的功率密度越來越高，在設(shè)備運行過程中產(chǎn)生大量廢熱。由于電子設(shè)備內(nèi)空間狹小、空氣流通性差，廢熱難以向設(shè)備外部及時傳導(dǎo)/輻射，導(dǎo)致器件溫度上升，造成設(shè)備工作性能下降甚至燒毀。因此，在高功率芯片、CPU 處理器等位置需要考慮器件的散熱問題，通常采用導(dǎo)熱硅橡膠把多余的熱量傳導(dǎo)至外界低溫環(huán)境中，避免器件過熱，且表層熱量沿面方向擴散均勻，避免點熱源事故發(fā)生。

人們在通過導(dǎo)熱硅橡膠解決散熱問題的同時，發(fā)現(xiàn)電子設(shè)備的電磁污染、信息泄露等問題也變得越來越嚴重。在密閉環(huán)境中大量電子元器件在工作時會向外界發(fā)射電磁輻射，對周圍設(shè)備造成電磁干擾，需要在電子元器件表面貼合吸波材料來解決這一問題。而電子設(shè)備內(nèi)部空間狹小，導(dǎo)熱硅橡膠已經(jīng)占據(jù)了器件表面縫隙空間，無法疊加使用吸波材料。因此，導(dǎo)熱吸波材料已經(jīng)成為解決電子設(shè)備高效散熱和電磁兼容問題最有效的手段。

目前，市場出現(xiàn)了各類型的導(dǎo)熱吸波貼片、導(dǎo)熱吸波涂料、導(dǎo)熱吸波殼體等產(chǎn)品，這類產(chǎn)品具有電磁雜波吸收功能良好和體積小、使用方便等優(yōu)點，同時導(dǎo)熱性能優(yōu)于傳統(tǒng)吸波材料，可以降低設(shè)備內(nèi)部熱阻值，增強產(chǎn)品的散熱能力，平衡熱量與電磁干擾帶來的雙重問題。

01 導(dǎo)熱吸波材料的研究歷程及進展

近年來，以半導(dǎo)體元件為代表的電子器件尺寸越來越小，發(fā)熱量不斷提高，同時伴隨而來的電磁干擾問題也越來越嚴重。使用導(dǎo)熱吸波材料可以有效降低電子零部件的工作溫度，同時減少或屏蔽其產(chǎn)生的電磁雜波?；谑袌鲂枨螅袠I(yè)內(nèi)部總結(jié)出導(dǎo)熱吸波材料應(yīng)具備的基本性能特征，如表1 所示。

表1 導(dǎo)熱吸波材料的性能需求指標

1.1 實驗探索階段

導(dǎo)熱吸波材料整體研發(fā)思路大致相同，即向高分子基體中添加功能填料使材料具有導(dǎo)熱或吸波功能。吸波材料通常在基體中添加鐵氧體、羰基鐵、羥基鐵、羥基鎳、羥基鈷、導(dǎo)電聚苯胺、鈦酸鋇、石墨、碳纖維等吸波劑以獲得優(yōu)異的吸波性能，但填料與基體的導(dǎo)熱系數(shù)普遍偏低。導(dǎo)熱材料目前多采用氧化鋁、氧化鎂、氮化鋁、氮化硅、氮化硼等絕緣填料，這些填料均不具備吸波功能。各研發(fā)單位通常在前期導(dǎo)熱材料、吸波材料的研究基礎(chǔ)上，通過在基體材料中混合加入傳統(tǒng)導(dǎo)熱填料和吸波劑，獲得兼具導(dǎo)熱、吸波功能的材料。

然而，由于橡膠等基體材料中功能填料的加入總量存在上限，某種(導(dǎo)熱、吸波)填料添加量的提升必然造成另一種功能填料添加量的降低，使得導(dǎo)熱吸波材料的導(dǎo)熱性能與吸波性能存在此消彼長的矛盾，難以實現(xiàn)材料導(dǎo)熱性能和吸波性能的同步提升。目前導(dǎo)熱吸波材料的研發(fā)只能通過綜合協(xié)調(diào)兩種填料的添加比例來平衡材料的導(dǎo)熱、吸波兩種性能指標，無法滿足敏感電子器件對材料兼具電磁波吸收功能和高效熱傳導(dǎo)能力的要求。

導(dǎo)熱吸波材料的研發(fā)方法較為簡單、常規(guī)，但制備出的導(dǎo)熱吸波材料難以實現(xiàn)高效熱傳導(dǎo)性能和強電磁波吸收的兼容。國內(nèi)外學者從導(dǎo)熱、吸波單一功能材料的開發(fā)思路出發(fā)，尋找產(chǎn)生問題的原因，發(fā)現(xiàn)在材料微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，需要材料內(nèi)的吸波成分充分分散、隔離，以提高吸波效果、拓寬頻率范圍，而要提高材料的導(dǎo)熱性能，要求材料內(nèi)部高連續(xù)、低缺陷，形成熱通路網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致材料的導(dǎo)熱、吸波應(yīng)用在結(jié)構(gòu)方面存在設(shè)計矛盾，特別是導(dǎo)熱填料的加入還會影響吸波劑功能的發(fā)揮，不利于材料吸波性能的設(shè)計，增加了導(dǎo)熱吸波材料的開發(fā)難度和成本，延長了開發(fā)周期。同時，導(dǎo)熱吸波材料主要是由導(dǎo)熱填料、吸波劑以及橡膠高分子基體組成，當導(dǎo)熱劑和吸波劑的含量較高時，會帶來如材料的黏度增大、成型困難和成本提高等諸多問題，影響其在實際中的應(yīng)用。

針對材料導(dǎo)熱和吸波性能的影響因素較多且不同因素之間存在交叉作用的情況，該領(lǐng)域?qū)W者通過研究功能填料組分、顆粒尺寸、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及成型工藝參數(shù)等多因素之間的影響關(guān)系，綜合分析各因素共同作用對材料性能的影響，試圖獲得具有實際指導(dǎo)價值的調(diào)控機制和方法。

Zivkovic 等采用氮化硼(BN) 作為功能填料，利用 BN的高導(dǎo)熱特性以及電磁參數(shù)可調(diào)的優(yōu)點，制備兼具導(dǎo)熱和吸波功能的環(huán)氧樹脂基材料，通過粉體直接添加、機械混合、高溫固化等工藝完成了環(huán)氧樹脂基導(dǎo)熱吸波材料的制備，并與現(xiàn)有成熟產(chǎn)品性能進行對比，最終制備出的材料的導(dǎo)熱系數(shù)和電磁參數(shù)如表2 所示。

表2 負載不同 BN含量的環(huán)氧樹脂熱導(dǎo)率和復(fù)介電常數(shù)

Zou 等以氧化鋁粉作為導(dǎo)熱劑，羰基鐵粉作為電磁波吸收劑，烯基硅油和含氫硅油為黏接劑制備導(dǎo)熱吸波硅橡膠，研究了羰基鐵粉和氧化鋁粉的配比對硅橡膠硫化前黏度、硫化后導(dǎo)熱和吸波性能的影響，旨在為導(dǎo)熱吸波材料的設(shè)計和應(yīng)用提供參考。制備的導(dǎo)熱吸波材料的導(dǎo)熱系數(shù)為2W/(m·K)，熱阻抗為 6℃·cm2/W，在5~15 GHz的頻率范圍內(nèi)反射率小于-5db，樣品的顯微形貌圖片如圖1 所示。

圖1 (a)氧化鋁、(b)羰基鐵、(c)W-4 的掃描電鏡圖和(d)W-4 的放大圖

Wang 等開發(fā)出一系列導(dǎo)熱型電磁波吸收片，在不改變設(shè)備 PCB設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過排除界面空氣、提升散熱效率來解決設(shè)備的過熱問題，同時通過吸波功能解決設(shè)備內(nèi)部或設(shè)備之間的電磁干擾行為，具有操作簡便、效果顯著的特點(圖2)，驗證了導(dǎo)熱吸波材料的實際應(yīng)用價值。

圖2 導(dǎo)熱吸波材料在屏蔽罩內(nèi)的使用示意圖

1.2 導(dǎo)熱吸波材料的工業(yè)級規(guī)?；苽?/p>

基于以上技術(shù)基礎(chǔ)，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)也逐步研發(fā)出適用于規(guī)模化導(dǎo)熱吸波材料制備的技術(shù)。Ding等提出以丙烯酸樹脂作為基體材料，氧化鋁、氧化鋅作為導(dǎo)熱填料，采用鐵氧體和金屬顆粒作為吸波成分，通過混合壓制得到無硅導(dǎo)熱吸波材料。Lai等以固體硅橡膠為基體材料，加入不同成分的導(dǎo)熱、吸波粉體填料，按照配比將各組分混合均勻，通過模壓成型工藝制備出導(dǎo)熱吸波材料。由于導(dǎo)熱吸波材料在電子信息領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用市場，國內(nèi)外主要的電磁防護材料生產(chǎn)單位均通過自主開發(fā)導(dǎo)熱吸波功能粉體、復(fù)配功能粉體等方式生產(chǎn)各類型的導(dǎo)熱吸波材料產(chǎn)品，如表3 所示。

表3 近年來導(dǎo)熱吸波材料性能對比

國外生產(chǎn)企業(yè)在材料組分設(shè)計方面不僅對材料主要技術(shù)參數(shù)指標(導(dǎo)熱系數(shù)、電磁波衰減系數(shù)、密度等) 進行了評估，同時也考慮了具體使用環(huán)境的相關(guān)要求(耐高溫性能、揮發(fā)性能等)，進行了三元甚至四元復(fù)合功能填料配方設(shè)計，實現(xiàn)導(dǎo)熱吸波雙功能的兼容。在工藝技術(shù)途徑方面，可以歸納為：功能粉體制備→多類別粉體復(fù)配→粉體表面處理→基體高分子改性→組分正向設(shè)計→均勻化分散→固化成型→修正邊緣。圖3 為國外某型導(dǎo)熱吸波材料產(chǎn)品的掃描電子顯微鏡圖片，可以看出材料內(nèi)部填充有大量球狀顆粒，通過物相分析證明其功能填料主要包括氧化鋅、氧化鋁、羰基鐵、鋁硅鐵合金。

圖3 導(dǎo)熱吸波材料的掃描電鏡照片

基于國內(nèi)外同行單位的研究基礎(chǔ)，筆者所在單位結(jié)合自身電磁防護主專業(yè)方向，探索高性能導(dǎo)熱吸波材料的制備技術(shù)，通過開展材料電磁特性和導(dǎo)熱性能調(diào)控、導(dǎo)熱吸波雙功能多組分功能粉體復(fù)配、橡膠基導(dǎo)熱吸波材料成型控制等多項研究，掌握了硅橡膠材料電磁波衰減特性與熱傳導(dǎo)功能兼容設(shè)計技術(shù)、復(fù)合功能填料分散可控方法等核心制備工藝，突破了制約導(dǎo)熱吸波材料性能提升的技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)了材料導(dǎo)熱/吸波雙功能的調(diào)控，完成了橡膠基材料單一功能的開發(fā)到多功能集成的跨越，開發(fā)出完全自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能導(dǎo)熱吸波材料，典型產(chǎn)品的電子顯微鏡圖片如圖4所示。

圖4 筆者所在單位研發(fā)的導(dǎo)熱吸波材料的 SEM圖

02 現(xiàn)階段導(dǎo)熱吸波材料研究存在的問題

經(jīng)過十多年發(fā)展，導(dǎo)熱吸波材料已日益標準化、體系化，工業(yè)級的導(dǎo)熱吸波材料產(chǎn)品也已經(jīng)定型批量生產(chǎn)，其性能穩(wěn)步提升，已應(yīng)用在軍民電子設(shè)備領(lǐng)域，這就需要人們進行深入思考：導(dǎo)熱吸波材料的生產(chǎn)制備技術(shù)已經(jīng)有了迅猛突破，還存在哪些技術(shù)瓶頸沒有突破，制約著整個行業(yè)發(fā)展。筆者根據(jù)在行業(yè)內(nèi)多年的從業(yè)經(jīng)驗，認為導(dǎo)熱吸波材料還存在以下四個方面問題。

2.1 導(dǎo)熱吸波材料的微觀結(jié)構(gòu)模型及設(shè)計理論尚未建立

由于導(dǎo)熱吸波材料屬于工程應(yīng)用材料領(lǐng)域，研究的重點一直以提高性能為主要目標，即直接采用不同種類、不同形態(tài)的功能粉體進行復(fù)配，通過調(diào)整添加量改善性能，并未從微觀層面出發(fā)對不同種填料間的相互作用機理進行深入研究。導(dǎo)熱吸波材料一般由基體高分子材料與多種功能填料復(fù)合而成，功能填料的成分、添加量、微觀形貌、分布狀態(tài)對材料電磁特性、熱傳導(dǎo)效能的影響規(guī)律還沒有相應(yīng)的物理模型和指導(dǎo)理論。

根據(jù)傳統(tǒng)的導(dǎo)熱增強相“海-島”結(jié)構(gòu)模型以及電磁波吸收機理開展導(dǎo)熱吸波材料的組分設(shè)計，理論設(shè)計預(yù)期與實際測試結(jié)果之間存在較大誤差，理論不能有效指導(dǎo)實際生產(chǎn)。因此，材料微觀結(jié)構(gòu)和功能單元模型的缺失、理論與工業(yè)化生產(chǎn)的脫節(jié)、多種功能填料復(fù)合使用指南空白等一系列應(yīng)用理論的滯后，嚴重制約著導(dǎo)熱吸波材料基礎(chǔ)設(shè)計理論的發(fā)展。

2.2 導(dǎo)熱吸波材料的性能評價與測試標準尚未統(tǒng)一

導(dǎo)熱吸波材料最重要的性能指標是導(dǎo)熱系數(shù)和吸波性能。而目前行業(yè)單位內(nèi)對這兩個性能在評價指標、測試原理、測試方法以及測試標準方面都存在著較大差異，互相之間的測試數(shù)據(jù)相差很大，導(dǎo)致該類產(chǎn)品在研制、使用過程中無章可循，嚴重制約了該類產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，具體分析如下。

2.2.1 熱導(dǎo)率

目前，行業(yè)內(nèi)針對導(dǎo)熱吸波材料導(dǎo)熱系數(shù)的測試主要采用以下兩個測試標準：(1)美國標準 ASTM D5470《熱導(dǎo)性電絕緣材料熱傳輸特性標準試驗方法》;(2) 中國標準 GB/T22588-2008《閃光法測量熱擴散系數(shù)或?qū)嵯禂?shù)》。

圖5 ASTM D5470 熱流法測試裝置的基本構(gòu)造示意圖

圖5為 ASTM D5470 熱流法測試裝置的基本構(gòu)造示意圖，測試原理是通過對樣品施加一定的熱流量、壓力來測試樣品的厚度和在熱板/冷板間的溫度差，從而得到樣品的導(dǎo)熱系數(shù)，這種測試方式更能模擬實際的使用狀態(tài)，接近實際使用場景。GB/T22588-2008 等同于美標 ASTM E1461《用閃光法確定固體熱擴散率試驗方法》，采用高強度的能量脈沖對小而薄的圓盤試樣進行短時間的輻照，熱擴散系數(shù)的值通過試樣的厚度和低溫表面溫度上升到某一值所需要的時間來計算，實際測得的數(shù)據(jù)是材料的熱擴散系數(shù)，其導(dǎo)熱系數(shù)計算公式為 λ=α·Cp·ρ(α為熱擴散系數(shù)，Cp為比熱容，ρ為體積密度)。

在很多文獻中均提出 ASTM D5470 和 GB/T22588-2008 兩種測試方法的結(jié)果較為接近，認為兩種結(jié)果可以交叉使用對比。筆者認為兩種測試方法存在顯著差距，從測試方法可以看出，ASTM D5470 可以通過測試三個不同厚度的樣品的擬合曲線來消除界面熱阻因素，反映出使用狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)，而 GB/T22588-2008 是一種激光閃射法，反映的是材料自身內(nèi)部的熱傳導(dǎo)性，但沒有考慮界面接觸熱阻的影響。因此，不能簡單認為結(jié)果較為接近就混淆兩種測試標準。筆者通過長期的工作經(jīng)驗，認為 ASTM D5470 更為適合導(dǎo)熱吸波材料這種墊片類產(chǎn)品的導(dǎo)熱系數(shù)測試。

2.2.2 吸波性能

目前，衡量導(dǎo)熱吸波材料的電磁波吸收性能主要通過兩個指標：(1)反射率;(2)電磁波衰減系數(shù)。

(1)反射率。按照 GJB 2039A-2011《雷達吸波材料反射率測試方法》直接對導(dǎo)熱吸波材料進行電磁波吸收性能的測試，該方法是國內(nèi)對吸波材料性能進行評價使用最廣泛的一種方法，測試時電磁波信號由網(wǎng)絡(luò)分析儀通過一個天線發(fā)射，信號入射到待測樣品并被反射出去，反射后的信號被另一個天線接收并送至網(wǎng)絡(luò)分析儀。由于吸波材料的作用，發(fā)射功率和接收功率存在一定差值，這一差值轉(zhuǎn)化成 dB 為單位的數(shù)值就是樣品的反射率，測試系統(tǒng)如圖6 所示。

圖6 弓形法掃頻測量系統(tǒng)示意圖

(2)電磁波衰減系數(shù)。電磁波衰減系數(shù)是一種理論屬性，并非用于指示一種物料在一個微波設(shè)備內(nèi)的性能，而是根據(jù)損耗材料的復(fù)合介電常數(shù)和復(fù)合磁導(dǎo)率計算而得，是一種嚴格比較兩種吸收物料性能的方法。電磁波衰減系數(shù)可以直觀地體現(xiàn)出材料使用過程中對器件內(nèi)部電磁雜波的衰減，相關(guān)研究學者及生產(chǎn)企業(yè)逐漸采用這一指標衡量材料的性能，但是目前國內(nèi)外尚無針對該指標的測試標準，各單位根據(jù)各自硬件條件進行測試，具體方法如表4 所示。

表4 電磁波衰減系數(shù)測試方法

筆者認為，由于反射率主要用于測量平板型材料的吸波性能，測試源與吸波材料的距離較遠，與導(dǎo)熱吸波材料的實際使用場景區(qū)別較大，測試結(jié)果更傾向于反映材料的吸波性能，并不能準確地表征材料在器件內(nèi)部對電磁雜波的衰減，因此，電磁波衰減系數(shù)更加適合評價導(dǎo)熱吸波材料的吸波性能。

綜上所述，目前導(dǎo)熱吸波材料主要性能指標的測試標準還存在著種類繁多、標準各異的問題，在實際開發(fā)生產(chǎn)過程中還存在著很多由于行業(yè)規(guī)范性不強帶來的問題。由于缺乏統(tǒng)一化、專業(yè)化的導(dǎo)熱吸波材料性能測試方法與標準，各單位采用不同的測試方法獲得了差異顯著的結(jié)果，導(dǎo)致目前缺乏評判導(dǎo)熱吸波材料主要性能的統(tǒng)一標準，對后續(xù)裝備設(shè)計人員在導(dǎo)熱吸波材料的選型、使用和評價方面的指導(dǎo)性差，產(chǎn)品標準缺失、通用性不強，產(chǎn)品工藝及質(zhì)量輸入要素不完善，制約了整個行業(yè)的規(guī)范性發(fā)展。

2.2.3 導(dǎo)熱吸波材料的功能粉體填料無重大突破

導(dǎo)熱吸波材料的性能主要通過添加功能粉體來實現(xiàn)，材料的功能特性主要是由功能填料的性能決定。目前各單位生產(chǎn)的導(dǎo)熱吸波材料基本是將兩種以上單一功能粉體進行復(fù)配，實現(xiàn)雙功能的復(fù)合，但是高分子基體材料中功能填料最多添加 90%(質(zhì)量分數(shù))左右，單純采用高導(dǎo)熱陶瓷、磁性粉體進行復(fù)配已經(jīng)接近于理論性能極限，難以進一步提升材料的導(dǎo)熱吸波功能。

雖然已有開發(fā)出兼具導(dǎo)熱、吸波功能的粉體材料(如碳纖維、改性氮化鋁、炭黑等)的相關(guān)報道，但尚未見使用單一功能填料真正實現(xiàn)高分子基體材料導(dǎo)熱、吸波性能共同提升的報道，且由于這類新型粉體材料大多數(shù)均需要納米尺度的摻雜、修飾、改性，合成方法復(fù)雜、工藝重復(fù)性差，無法保證產(chǎn)品性能穩(wěn)定，嚴重限制著這些新材料在導(dǎo)熱吸波領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用。同時這類粉體材料與基體高分子混合時，兩者物質(zhì)間界面相容性低，容易出現(xiàn)大面積宏觀偏析現(xiàn)象，極大地影響了填料性能的發(fā)揮。導(dǎo)熱吸波材料經(jīng)過多年的開發(fā)，迫切需要新型可規(guī)?；苽涞碾p功能增強粉體，通過單一粉體實現(xiàn)材料電磁波吸收功能和熱傳導(dǎo)能力的同步提升，解決生產(chǎn)中需要進行復(fù)合填料的篩選以及成分配比調(diào)控等問題，為制備新型導(dǎo)熱吸波材料提供性能優(yōu)異的功能粉體原料。

2.2.4 導(dǎo)熱吸波材料性能仍需進一步提高

散熱和電磁兼容是直接決定電子器件工作性能和使用壽命的兩個重要因素，器件工作過程中產(chǎn)生的熱量如果無法及時傳導(dǎo)至外界環(huán)境，必然造成自身溫度的大幅度升高、工作穩(wěn)定性下降甚至燒毀，而器件間的電磁干擾則會嚴重影響設(shè)備的正常工作。因此，在成本預(yù)算范圍內(nèi)，電子設(shè)備在生產(chǎn)設(shè)計過程中通常會選擇性能盡可能高的導(dǎo)熱襯墊(熱導(dǎo)率通常大于 5W/(m·K))和吸波貼片(工作頻段反射率小于-10 dB)。使用導(dǎo)熱吸波材料的主要目的就是改善設(shè)備內(nèi)部電子器件的熱量堆積情況，同時減少或屏蔽其產(chǎn)生的電磁干擾，減小占用空間，提高內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊性，如圖7 所示，但其主要指標與單一功能材料還有一定差距，而現(xiàn)有吸波材料的有效吸收范圍大多位于較高頻段內(nèi)，要想實現(xiàn)在P/L/S 等波段的低厚度強吸收依舊存在一定困難，使用導(dǎo)熱吸波材料的輔助優(yōu)勢還不足以彌補主要功能指標的差距，造成其使用領(lǐng)域受到一定局限。

圖7 導(dǎo)熱吸波材料使用示意圖

03 導(dǎo)熱吸波材料未來研究發(fā)展方向

導(dǎo)熱吸波材料作為新型多功能電磁防護材料，經(jīng)過十多年的不懈努力，已經(jīng)取得了可喜的成果并且實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，目前導(dǎo)熱吸波材料的研究在國內(nèi)受到較高關(guān)注，結(jié)合已取得的成果，未來該領(lǐng)域應(yīng)著重開展以下幾個方面的研究。

3.1 建立新型材料結(jié)構(gòu)模型，實現(xiàn)雙功能一體化設(shè)計

由于目前缺乏可以指導(dǎo)生產(chǎn)的導(dǎo)熱吸波材料功能單元體模型和相應(yīng)的組分設(shè)計方法，未來在導(dǎo)熱吸波材料機理方面，可以選取成熟的單一功能粉體填料為基礎(chǔ)，建立復(fù)合粉體/高分子基體的功能單元體模型。揭示基于“功能粉體/高分子基體”結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱網(wǎng)鏈搭建機制，開展粉體分布對界面熱傳導(dǎo)性能的影響規(guī)律研究。同時，結(jié)合吸波劑的電磁波吸收原理，提取材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，分析材料內(nèi)部高導(dǎo)熱網(wǎng)鏈結(jié)構(gòu)對電磁波響應(yīng)的影響規(guī)律，開展導(dǎo)熱網(wǎng)鏈分布參數(shù)與吸波劑微觀形態(tài)的協(xié)同設(shè)計，綜合調(diào)整材料內(nèi)部的導(dǎo)熱網(wǎng)鏈分布參數(shù)和配套的吸波劑成分及微觀尺寸，從而實現(xiàn)導(dǎo)熱性能與吸波性能的同步提升。

3.2 建立專業(yè)性的測試標準，實現(xiàn)行業(yè)統(tǒng)一規(guī)范的評價體系

鑒于導(dǎo)熱吸波材料的評價指標、測試原理、測試方法以及測試標準方面都存在著較大差異的現(xiàn)狀，未來行業(yè)內(nèi)的科研、生產(chǎn)單位必將討論出臺關(guān)于導(dǎo)熱吸波材料性能測試方法與要求的統(tǒng)一標準，建立完整的標準評價體系，對該領(lǐng)域產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)和性能評價標準進行必要的技術(shù)規(guī)范和引導(dǎo)，進一步促進該領(lǐng)域技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展，以充分發(fā)揮“標準先行”的指導(dǎo)作用和對該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的促進作用。

3.3 探索新型功能粉體制備技術(shù)，提高功能填料性能

為了滿足高精尖電子設(shè)備對導(dǎo)熱吸波材料的性能要求，以鏈狀高分子材料(硅橡膠)為應(yīng)用對象，開發(fā)真正意義上兼具導(dǎo)熱、吸波雙功能的粉體填料，突破原有性能指標上限，從根本上解決目前制約導(dǎo)熱吸波材料性能提升的瓶頸問題。目前新材料領(lǐng)域研究的熱點是石墨烯，作為二維sp2鍵雜化的單層碳原子晶體，其低維結(jié)構(gòu)可顯著削減晶界處聲子的邊界散射，具有獨特的二維周期蜂窩狀點陣結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)單元中所存在的穩(wěn)定碳六元環(huán)賦予其優(yōu)異的熱性能，被認為是優(yōu)秀的導(dǎo)熱材料。此外，通過對石墨烯粉體進行表面修飾(引入磁性粉體顆粒如鋇鐵氧體、鎳鋅鐵氧體等)，進而將其添加在基底材料中改善材料整體的阻抗匹配特性，提升電磁波吸收性能，有望研發(fā)出新型石墨烯導(dǎo)熱吸波材料。未來相當長的時間內(nèi)這也將成為導(dǎo)熱吸波材料領(lǐng)域的一個重要研究方向。

3.4 結(jié)合多學科研究成果，探索導(dǎo)熱吸波材料性能提升新思路

隨著相關(guān)仿真技術(shù)的進步以及人工材料、智能材料及薄膜型吸波材料制備水平的提高，新型材料設(shè)計方法手段日趨成熟，實現(xiàn)了對材料電磁參數(shù)的主動設(shè)計，突破了傳統(tǒng)材料對電磁特性的局限，給材料性能設(shè)計及制備提供了新的自由度。以此為技術(shù)基礎(chǔ)，通過材料組分解決熱量傳輸要求，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足對電磁波的高效吸收。這一方向結(jié)合了電磁場與微波、材料科學、微納加工等領(lǐng)域最新的研究成果，學科交叉性強、未來應(yīng)用前景廣闊，已經(jīng)逐步引起國內(nèi)外學術(shù)界的關(guān)注，將成為導(dǎo)熱吸波材料領(lǐng)域的研究新熱點。

04 結(jié)語與展望

綜上所述，目前國內(nèi)外在導(dǎo)熱吸波材料的研制方面已經(jīng)開展了深入研究，取得了可喜的成果，也正是由于前期的迅猛發(fā)展，導(dǎo)熱吸波材料已經(jīng)進入了一個發(fā)展的瓶頸期，性能進一步提升還需要解決很多關(guān)鍵問題。未來導(dǎo)熱吸波材料的研究趨勢主要有以下幾個方向：開展功能單元體模型模擬仿真及性能影響機理的研究，為實際生產(chǎn)制備提供理論指導(dǎo)，建立針對導(dǎo)熱吸波材料的指標參數(shù)和測試標準，實現(xiàn)行業(yè)統(tǒng)一規(guī)范的評價體系，將是導(dǎo)熱吸波材料行業(yè)規(guī)范發(fā)展的必經(jīng)之路，研發(fā)新體系的導(dǎo)熱吸波功能粉體，開發(fā)真正意義上兼具導(dǎo)熱、吸波雙功能的粉體填料，以及利用新思路、新方法設(shè)計制備新型智能型導(dǎo)熱吸波材料。

目前，與國外同類產(chǎn)品相比，國內(nèi)導(dǎo)熱吸波材料性能還存在一定差距。該類材料主要用于高精尖電子設(shè)備研制、生產(chǎn)，且多數(shù)產(chǎn)品涉及國家安全，各國均嚴格限制高性能產(chǎn)品的出口，國內(nèi)用戶單位需要在國際市場高價采購國外進口產(chǎn)品，隨時面臨技術(shù)封鎖和禁止出口的風險，因此有必要加大自主研發(fā)力度，突破研發(fā)制備過程中的關(guān)鍵技術(shù)難題，實現(xiàn)高性能導(dǎo)熱吸波材料國產(chǎn)化。
責任編輯：彭菁