导热吸波材料的研究历程及进展

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导热吸波材料的研究历程及进展

时间：2022-03-05浏览次数：1214

近年来，以半导体元件为代表的电子器件尺寸越来越小，发热量不断提高，同时伴随而来的电磁干扰问题也越来越严重。使用导热吸波材料可以有效降低电子零部件的工作温度，同时减少或屏蔽其产生的电磁杂波。基于市场需求，行业内部总结出导热吸波材料应具备的基本性能特征，如表1 所示。

表1 导热吸波材料的性能需求指标

1.1 实验探索阶段

导热吸波材料整体研发思路大致相同，即向高分子基体中添加功能填料使材料具有导热或吸波功能。吸波材料通常在基体中添加铁氧体、羰基铁、羟基铁、羟基镍、羟基钴、导电聚苯胺、钛酸钡、石墨、碳纤维等吸波剂以获得优异的吸波性能，但填料与基体的导热系数普遍偏低。导热材料目前多采用氧化铝、氧化镁、氮化铝、氮化硅、氮化硼等绝缘填料，这些填料均不具备吸波功能。各研发单位通常在前期导热材料、吸波材料的研究基础上，通过在基体材料中混合加入传统导热填料和吸波剂，获得兼具导热、吸波功能的材料。

然而，由于橡胶等基体材料中功能填料的加入总量存在上限，某种(导热、吸波)填料添加量的提升必然造成另一种功能填料添加量的降低，使得导热吸波材料的导热性能与吸波性能存在此消彼长的矛盾，难以实现材料导热性能和吸波性能的同步提升。目前导热吸波材料的研发只能通过综合协调两种填料的添加比例来平衡材料的导热、吸波两种性能指标，无法满足敏感电子器件对材料兼具电磁波吸收功能和高效热传导能力的要求。

导热吸波材料的研发方法较为简单、常规，但制备出的导热吸波材料难以实现高效热传导性能和强电磁波吸收的兼容。国内外学者从导热、吸波单一功能材料的开发思路出发，寻找产生问题的原因，发现在材料微观结构设计过程中，需要材料内的吸波成分充分分散、隔离，以提高吸波效果、拓宽频率范围，而要提高材料的导热性能，要求材料内部高连续、低缺陷，形成热通路网链结构，导致材料的导热、吸波应用在结构方面存在设计矛盾，特别是导热填料的加入还会影响吸波剂功能的发挥，不利于材料吸波性能的设计，增加了导热吸波材料的开发难度和成本，延长了开发周期。同时，导热吸波材料主要是由导热填料、吸波剂以及橡胶高分子基体组成，当导热剂和吸波剂的含量较高时，会带来如材料的黏度增大、成型困难和成本提高等诸多问题，影响其在实际中的应用。

针对材料导热和吸波性能的影响因素较多且不同因素之间存在交叉作用的情况，该领域学者通过研究功能填料组分、颗粒尺寸、结构参数以及成型工艺参数等多因素之间的影响关系，综合分析各因素共同作用对材料性能的影响，试图获得具有实际指导价值的调控机制和方法。

Zivkovic 等采用氮化硼(BN) 作为功能填料，利用 BN的高导热特性以及电磁参数可调的优点，制备兼具导热和吸波功能的环氧树脂基材料，通过粉体直接添加、机械混合、高温固化等工艺完成了环氧树脂基导热吸波材料的制备，并与现有成熟产品性能进行对比，最终制备出的材料的导热系数和电磁参数如表2 所示。

表2 负载不同 BN含量的环氧树脂热导率和复介电常数

Zou 等以氧化铝粉作为导热剂，羰基铁粉作为电磁波吸收剂，烯基硅油和含氢硅油为黏接剂制备导热吸波硅橡胶，研究羰基铁粉和氧化铝粉的配比对硅橡胶硫化前黏度、硫化后导热和吸波性能的影响，为导热吸波材料的设计和应用提供参考。制备的导热吸波材料的导热系数为2Ｗ/(ｍ·K)，热阻抗为 6℃·cm2/Ｗ，在5~15 GHz的频率范围内反射率小于-5db，样品的显微形貌图片如图1 所示。

图1 (ａ)氧化铝、(ｂ)羰基铁、(ｃ)Ｗ-4 的扫描电镜图和(ｄ)Ｗ-4 的放大图

Wang 等开发出一系列导热型电磁波吸收片，在不改变设备 PCB设计的基础上，通过排除界面空气、提升散热效率来解决设备的过热问题，同时通过吸波功能解决设备内部或设备之间的电磁干扰行为，具有操作简便、效果显著的特点(图2)，验证了导热吸波材料的实际应用价值。