知识分享|导热填料面面观（二）
在导热材料面面观（一）中，我们介绍了不同类型的导热填料。（点击回顾上期内容）本期我们将对影响导热填料热传导性能的因素进行探讨。
影响导热填料热传导性能的因素
金属氧化物（氧化铝、氧化镁、氧化锌）、氮化物（氮化铝、氮化硼）、碳化物（碳化硅）、金刚石等，具有较高的导热系数、绝缘性好、种类丰富、稳定性好、价格适宜，是导热界面材料产品中最常用的填料。这些填料一般依赖声子(phonon)进行热传导的，简单的理解声子就是晶格振动的能量的量子化，与电子导热相比声子的效率一般较低，与声子的平均自由程和速度相关，易受结构和缺陷影响。在这篇文章中，我们总结了多种可能影响这些粉体热传导性能的因素。
图1 影响导热填料热传导性能的主要因素
晶型的影响
以氧化铝为例，氧化铝的导热率适中、绝缘，且价格较低、来源较广，是经济适用型填料。此外，氧化铝表面易于修饰，与绝大多数聚合物相容性较好。目前已经知道的氧化铝共有九种晶体形态，包括α、γ、β、η、δ、θ、χ、κ和无定型相。
氧化铝的导热系数与晶型密切相关，如最常用的α-Al2O3的理论导热系数为28W/(m·K)，而γ-Al2O3的导热系数为35W/(m·K)（J Am Ceram Soc. 2021;104:1436–1447），κ-Al2O3的导热系数为~8W/(m·K)（J. Appl. Phys., 1998, 83, 11, 5783）。
纯度的影响
仍然以氧化铝为例，文献报道表明99%的α-Al2O3的导热系数接近理论数值，当纯度降低到92%时，导热率降低到小于20W/(m·K)，杂质的存在影响晶体的结晶性及声子的传递质量（图2）。此外，氧化铝的结晶度、颗粒尺寸、空隙等也会大大影响其导热性能。
图2 氧化铝纯度对导热系数的影响
形貌的影响
氮化铝有很高的热导率，理论值达到320W/(m·K)，且具有较高的绝缘性，在高导热领域的应用主要集中在两个方面：封装基板和导热填料。以氮化铝为例，研究表明氮化铝的晶须呈现一维形貌，长径比可高达500，在相同填充比下高长径比氮化铝晶须更有利于形成三维导热网络，具有更高的导热性能（图3）。这启发我们在设计导热网络的时候，合理搭配各种维度的材料，会得到更明显的收效。
图3 氮化铝晶须的微观形貌及导热系数与长径比的关系（Ujihara et al, J Crystal Growth, 2017, 468, 576）
同素异形体
同素异形体是指由同样的单一化学元素组成，因排列方式不同，而具有不同性质的单质。碳基材料是同素异形体的典型代表，由于C原子杂化轨道形态差异，碳的主要同素异形体包括：金刚石、石墨、富勒烯、碳纳米管、石墨烯和石墨炔等，碳基材料近年来也成为了导热领域研究的热点（图4）。
金刚石的导热为各向同性，高质量单晶金刚石的导热系数可高达2300 W/(m·K)，多晶金刚石的导热系数一般在1~1000 W/(m·K)，受晶粒尺寸影响巨大。
图4 碳基材料的导热性能与影响因素（Cui et al, Materials China, 2020, 39, 450）
石墨烯是另一种明星导热材料，它是一种二维材料，其导热性能是各向异性的，其热量主要沿平面内传递，沿厚度方向热传递性能较差（~6 W/(m·K)）。石墨烯的导热性能主要受尺寸、结晶度、表面官能度及层数影响。物理法制备的大尺寸单层的石墨烯的理论面内导热系数可超过6000 W/(m·K)，随着层数的增加导热系数迅速下降，层数超过5层后降至1000~2000 W/(m·K)（图5）。此外，石墨、碳纤维可以看做是以不同形式堆积的宏观石墨烯材料，碳纳米管可以看做是石墨烯卷曲形成的纳米材料，它们在导热领域都有良好的应用前景。
图5 石墨烯导热性能与层数的关系（Ghosh et al, Nature Mater, 2010, 9, 555）
多种因素影响
在更多的情况中，多种因素共同影响材料的导热性能。以氮化硼为例，氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体。具有四种不同的变体：六方氮化硼（hBN）、立方氮化硼（cBN）、菱方氮化硼（rBN）和纤锌矿氮化硼（WBN）。其中六方氮化硼是最常用的导热填料，具有高导热和高绝缘的特点。
图6总结了不同晶型的氮化硼、不同层数的氮化硼、氮化硼纳米管、氮化硼量子点、不同边缘结构的氮化硼纳米带等多种形态氮化硼的导热系数。通过对比我们可以得出一些基本的结论：尺寸越大、层数越少、原子排列越规整的氮化硼其导热系数越高。
图6 不同形态氮化硼的导热系数（Jha, Renew Sust Energy Rev, 2020, 120, 109622）
随着对导热界面材料性能的深入研究和理解，泰吉诺将继续不定期推出更多与热管理材料领域相关的基础知识、原理、最新研究进展等内容，以持续的交流分享推动行业更好发展。
我们期待与您一起探索导热界面材料的无限可能，下期再见。
