99久久99久久精品免费看蜜桃,国产性色av一区二区三区,宝贝小嫩嫩好紧好爽h视频,《隔壁放荡人妻bd高清》,噜噜噜噜av夜色在线

天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、江蘇亨通電力電纜有限公司的研究人員杜伯學(xué)、孔曉曉等，在2018年第14期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出，電子與電力設(shè)備的不斷集成化、小型化及大功率化帶來了越來越嚴(yán)重的發(fā)熱問題，實(shí)現(xiàn)高效的散熱成為提高設(shè)備性能和延長其使用壽命的重要手段。擁有優(yōu)異的電氣、力學(xué)性能及低廉的價(jià)格而廣泛應(yīng)用于各類電子與電力設(shè)備中的聚合物材料，則因此成為了未來高導(dǎo)熱材料的研究重點(diǎn)。

在闡述聚合物材料微觀導(dǎo)熱機(jī)理的基礎(chǔ)上，總結(jié)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響因素（尤其是復(fù)合材料的界面特性）。特別地，針對目前廣泛關(guān)注的微觀導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展進(jìn)行了重點(diǎn)描述。同時(shí)，綜述高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料的電氣性能研究狀況。最后，對未來應(yīng)用于電子與電氣領(lǐng)域的高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

當(dāng)代電子與電力設(shè)備的集成化與大功率化使得設(shè)備尺寸、體積急劇縮小，功率密度不斷增大，尤其是當(dāng)下我國特高壓交、直流系統(tǒng)的發(fā)展，由此帶來的散熱問題也越來越突出，已嚴(yán)重影響到設(shè)備的精度和使用壽命，成為設(shè)備持續(xù)縮小的技術(shù)瓶頸[1-6]。

近年來，國內(nèi)外都出現(xiàn)了高壓電氣裝備絕緣過早擊穿現(xiàn)象，絕緣過早失效與電力設(shè)備的散熱情況密切相關(guān)，過高的運(yùn)行溫度會加速絕緣材料的老化而縮短設(shè)備使用壽命[7-10]。越來越嚴(yán)重的散熱問題對新材料的性能、可靠性及制造技術(shù)提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。如何實(shí)現(xiàn)高效的散熱成為制約下一代電子與電力設(shè)備發(fā)展的重要因素之一。

目前，憑借優(yōu)異的電氣絕緣性能、機(jī)械加工性能、輕質(zhì)及低廉的價(jià)格而廣泛應(yīng)用于電子封裝與電氣絕緣領(lǐng)域的聚合物材料卻往往具有很差的導(dǎo)熱性能（Thermal Conductivity, TC），大部分聚合物熱導(dǎo)率在0.1～0.5W/(m◆K)之間[11,12]，其已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足日益增長的散熱需求。因此，兼具高導(dǎo)熱與優(yōu)異絕緣性能的聚合物復(fù)合電介質(zhì)材料成為新材料研究發(fā)展的一個(gè)挑戰(zhàn)和熱點(diǎn)[13]。

引入高導(dǎo)熱填料制備聚合物基復(fù)合材料是目前廣泛認(rèn)同的提高材料整體導(dǎo)熱性能的可行方法。導(dǎo)熱填料的種類、大小、含量、表面形態(tài)及分布狀態(tài)等均會對復(fù)合材料性能有明顯影響，這也因此得到了廣泛而深入的研究。新材料技術(shù)的發(fā)展及制備工藝的創(chuàng)新，對復(fù)合材料進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為開發(fā)新型高導(dǎo)熱材料提供了思路。

本文在介紹聚合物材料微觀導(dǎo)熱機(jī)理的基礎(chǔ)上，綜述高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料的研究進(jìn)展，其中包括聚合物材料基體、填充顆粒及影響因素的研究狀況。重點(diǎn)介紹目前廣泛關(guān)注的聚合物基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。最后，總結(jié)復(fù)合材料的電氣性能研究進(jìn)展并對其發(fā)展方向及挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。

1 聚合物材料傳熱機(jī)理

宏觀上，熱量傳遞是由微觀粒子的運(yùn)動引起的。不同微觀結(jié)構(gòu)的材料導(dǎo)熱性能也有所不同[14]。分子間的相互碰撞是熱量在氣體及液體中傳導(dǎo)的主要方式，而固體材料中熱量的傳導(dǎo)并不是通過分子相互碰撞來實(shí)現(xiàn)，而是靠電子、聲子及光子等導(dǎo)熱載體實(shí)現(xiàn)，不同固體物質(zhì)的主要導(dǎo)熱載體不同[6]。

金屬的導(dǎo)熱載體主要是自由電子，自由電子不受束縛可以通過相互碰撞來實(shí)現(xiàn)熱量的快速傳遞。而在無機(jī)非金屬和絕緣高分子材料中，自由電子很少，電子相互碰撞進(jìn)行熱量傳導(dǎo)的機(jī)理不能用來解釋其內(nèi)部的導(dǎo)熱過程，其內(nèi)部熱量的傳導(dǎo)是由晶格的振動實(shí)現(xiàn)的。量子理論中，通過對晶格振動進(jìn)行量子化處理后，引入聲子的概念來解釋非金屬晶體和絕緣高分子材料內(nèi)的熱傳遞過程，即聲子的熱擴(kuò)散運(yùn)動。

材料的散熱能力與熱導(dǎo)率直接相關(guān)。物質(zhì)熱導(dǎo)率的理論計(jì)算往往采用式（1）徳拜方程得出[14,15]。

（1）

由式（1）可以看出，聲子的平均自由行程是物質(zhì)導(dǎo)熱能力的主要影響因素。無機(jī)非金屬晶體因內(nèi)部規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)而具有較高的聲子平均自由行程，熱導(dǎo)率往往很高。而大部分聚合物材料分子結(jié)晶度較低，形成的晶體結(jié)構(gòu)無序且較少，非晶區(qū)的存在加之材料制備中的缺陷會導(dǎo)致嚴(yán)重的聲子散射，使得高分子聚合物材料內(nèi)聲子熱擴(kuò)散受到阻礙，自由行程變短，因此具有較低的導(dǎo)熱性能[16]。表1列舉了常見的聚合物材料在室溫下的熱導(dǎo)率。

表1 常見聚合物材料熱導(dǎo)率（室溫）

聚合物材料的微觀結(jié)構(gòu)組成決定了其導(dǎo)熱性能的高低。大量非結(jié)晶區(qū)域的存在造成了導(dǎo)熱載體聲子的大量散射，因此可以采用特殊工藝在聚合物合成或加工成型過程中引入微觀有序的分子結(jié)構(gòu)來提高聚合物材料的熱導(dǎo)率[17]。但該方法對于導(dǎo)熱能力的提升有限且過程復(fù)雜。

而通過引入高導(dǎo)熱微、納米填料來制備聚合物基復(fù)合材料，使得填料在基體內(nèi)可以形成高效散熱的通路進(jìn)而提高整個(gè)復(fù)合材料的熱導(dǎo)率，這為解決電子與電力設(shè)備中的散熱問題提供了新的思路。該方法憑借制備流程簡單，成本較小，適合于工業(yè)化生產(chǎn)而得到了廣泛應(yīng)用和研究。本文主要研究該種填充型高導(dǎo)熱復(fù)合材料。

2 高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀

2.1 常用聚合物絕緣材料基體

用于電子與電氣領(lǐng)域的聚合物絕緣材料自身必須具備優(yōu)異的絕緣性能、化學(xué)穩(wěn)定性、力學(xué)性能及易于加工成型。常用的材料主要有聚乙烯（PE），聚丙烯（PP），聚酰亞胺（PI），硅橡膠（SiR）及環(huán)氧樹脂（Epoxy）等。

對于熱塑性材料，其自身結(jié)晶度對復(fù)合體系導(dǎo)熱性能影響很大。相同高導(dǎo)熱顆粒填充情況下，結(jié)晶度高的聚合物擁有較高的熱導(dǎo)率，如PE的熱導(dǎo)率較PI，PMMA，PS等高；對于同種材料，低結(jié)晶度的LDPE基復(fù)合材料較HDPE基復(fù)合材料導(dǎo)熱性能差[18]。這是因?yàn)楦叨扔行虻姆肿渔溑帕校摧^高的結(jié)晶度）會降低聲子散射程度，從而使得熱量能夠迅速沿分子鏈平行方向傳導(dǎo)而具有較高的熱導(dǎo)率。

為了提高聚合物基體導(dǎo)熱性能，利用特殊工藝包括機(jī)械拉伸、剪切、凝膠紡絲等方法，對聚合物本身進(jìn)行處理同樣可以提高材料導(dǎo)熱性能。此外，聚合物基體側(cè)鏈的存在同樣會影響材料的導(dǎo)熱性能。擁有較高結(jié)晶程度的PP熱導(dǎo)率卻很低，這是因?yàn)镻P側(cè)鏈甲基的存在加劇了聲子的散射。

對于熱固性材料，樹脂的組成分子在微觀上形成類晶結(jié)構(gòu)后，能夠提高材料微觀結(jié)構(gòu)的有序性，減小聲子散射，從而在宏觀上實(shí)現(xiàn)整體導(dǎo)熱性能的提高。不同單體、固化劑制備的環(huán)氧樹脂的熱導(dǎo)率有明顯不同[17]。同時(shí)，類晶區(qū)域的含量、大小以及晶區(qū)的取向都對材料整體熱性能有顯著影響。日本日立公司（Hitachi）通過控制分子結(jié)構(gòu)的合成，使該樹脂在微觀層面形成具有類似晶體的結(jié)構(gòu)，可以使環(huán)氧樹脂的熱導(dǎo)率提高5倍[19]。

2.2 高導(dǎo)熱無機(jī)填料研究現(xiàn)狀

高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能的提高很大程度取決于填充顆粒的選擇。金屬顆粒、石墨類材料（如石墨烯，單壁/多壁碳納米管等）雖然具有很高的本征熱導(dǎo)率而廣泛應(yīng)用于聚合物導(dǎo)熱性能的提高[14,20]。但這些填料往往在改變導(dǎo)熱性能的同時(shí)也改變了聚合物的電氣絕緣性能，如導(dǎo)致極高的電導(dǎo)率、較高的介電常數(shù)而不能應(yīng)用于研究兼具高導(dǎo)熱、優(yōu)異絕緣性能的聚合物基復(fù)合材料。

因此，絕緣領(lǐng)域更多關(guān)注的是具有極高本征熱導(dǎo)率且良好絕緣性能的無機(jī)顆粒。目前為止，包括氧化鋁、氮化鋁、氮化硼及其納米片、納米管在內(nèi)的無機(jī)顆粒成為電子與電氣領(lǐng)域高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料研究的重點(diǎn)[6,9]。表2列舉了幾種常用的無機(jī)顆粒的導(dǎo)熱性能。

表2 常用高導(dǎo)熱無機(jī)填料的熱導(dǎo)率（室溫）

氧化鋁（Al2O3），具有較低的成本及較高電阻率而經(jīng)常被選為填料使用[21]。雖然與其他顆粒相比，其本征熱導(dǎo)率較低，但仍得到了廣泛的研究與應(yīng)用。文獻(xiàn)[22]綜述了作為導(dǎo)熱絕緣填料的氧化鋁的形態(tài)和表面處理及其在絕緣導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料中的應(yīng)用。一般而言，對于較高熱導(dǎo)率的實(shí)現(xiàn)，氧化鋁的添加量較高，且提升效果有限。

氮化鋁（AlN），憑借其較高的導(dǎo)熱性能及優(yōu)異的絕緣性能[23]，同樣也成為制備高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合電介質(zhì)材料的一種無機(jī)填料。研究表明，體積分?jǐn)?shù)為70%的AlN/環(huán)氧樹脂復(fù)合體系熱導(dǎo)率達(dá)到了4W/(m◆K)，更多詳細(xì)的氮化鋁/聚合物基導(dǎo)熱復(fù)合材料最新研究進(jìn)展可以在文獻(xiàn)[24]中找到，本文不再贅述。

氮化硼（BN），尤其是六方晶型氮化硼（h-BN），擁有類似于石墨的層狀結(jié)構(gòu)，不僅熱導(dǎo)率較高，而且擁有優(yōu)異的絕緣性能（介電常數(shù)約為4.0，電阻率約為1015◆?cm），是目前為止最理想的絕緣導(dǎo)熱填料。類似于石墨類材料的研究，近年來國內(nèi)外學(xué)者對一維氮化硼納米管（BNNTs）和二維氮化硼納米片（BNNSs）的研究興趣不斷增加[25,26]。

類比于石墨烯，可以將微米氮化硼剝離到幾nm到幾十nm厚度從而制得BNNSs。圖1[25]分別給出了h-BN的層狀結(jié)構(gòu)示意圖及BNNSs在透射電子顯微鏡下的照片（圖1c中左下角為電子衍射圖譜）。而BNNTs則類似于碳納米管（CNTs）。

研究表明，BNNTs具有理論上高達(dá)2 000W/(m◆K)的本征熱導(dǎo)率[27]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)無機(jī)顆粒。最重要的是，BNNSs與BNNTs擁有較高的禁帶寬度（大約5～6eV，1eV=1.60×10◆19J），這保證了其優(yōu)異的絕緣性能?？梢灶A(yù)見，BNNSs與BNNTs將是未來導(dǎo)熱填料發(fā)展的熱點(diǎn)與方向。

圖1 BN的層狀結(jié)構(gòu)

2.3 高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料導(dǎo)熱性能影響因素

聚合物基復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能受到各種各樣因素的影響而呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。填料的大小、形態(tài)、填充含量、在基體內(nèi)的空間分布及取向均會對復(fù)合材料熱導(dǎo)率有顯著影響。復(fù)合材料導(dǎo)熱能力的提升關(guān)鍵在于基體內(nèi)形成的導(dǎo)熱通路數(shù)目及穩(wěn)定性。

當(dāng)無機(jī)顆粒的添加量較少時(shí)，即使顆粒能夠均勻分散在基體中，但顆粒之間并沒有完全接觸，熱量傳遞時(shí)還需要通過熱導(dǎo)率較低的基體，此時(shí)整個(gè)體系的熱導(dǎo)率提高并不明顯；隨著無機(jī)顆粒的進(jìn)一步添加，當(dāng)填充量超過某一閾值（逾滲閾值）時(shí)，顆粒間有效接觸，在基體內(nèi)部形成了網(wǎng)狀或者鏈狀的導(dǎo)熱通路，熱量可以沿著無機(jī)顆粒形成的導(dǎo)熱網(wǎng)迅速傳遞，此時(shí)復(fù)合體系的熱導(dǎo)率會迅速升高。針對不同的影響因素，國內(nèi)外研究人員作了大量的研究與工作[6,9]，而本文重點(diǎn)描述復(fù)合材料內(nèi)形成的界面特性。

高導(dǎo)熱顆粒與聚合物基體為兩種具有不同特性的材料，不同材料的添加往往會在填料與基體，填料與填料間形成界面。研究表明，熱流在通過界面時(shí)會受到阻礙，稱之為熱阻。熱阻主要受以下三種原因影響：不同物質(zhì)間的接觸面積，不同物質(zhì)的聲子譜圖的匹配程度以及兩者的結(jié)合程度[28]。其中不同物質(zhì)間的有效接觸面積及結(jié)合程度決定的熱流阻礙效果的大小稱為接觸熱阻。

對于聚合物基復(fù)合材料，不同無機(jī)顆粒擁有與聚合物基體不同的表面態(tài)，當(dāng)被引入聚合物基體時(shí)，基體與顆粒間的接觸不平滑，結(jié)合強(qiáng)度較低，易形成缺陷，從而導(dǎo)致該處聲子傳遞受阻。而聲子譜的不匹配導(dǎo)致聲子傳導(dǎo)通過界面時(shí)發(fā)生的散射則稱為界面熱阻（卡皮查熱阻），顆粒與基體的電子特性及振動特性的不同，使得即使接觸很平滑的界面間也會存在聲子散射。研究表明，通過表面處理改善填料與基體間的界面狀態(tài)，可以在一定程度上提高復(fù)合材料的整體散熱性能[29-33]。

硅烷偶聯(lián)劑是常用于表面處理的方法之一。不同硅烷偶聯(lián)劑對無機(jī)顆粒進(jìn)行表面修飾可以有效地在無機(jī)顆粒表面引入不同基團(tuán)，如環(huán)氧基，氨基等。引入的基團(tuán)與聚合物基體間發(fā)生共價(jià)結(jié)合，使得無機(jī)顆粒與基體間有較為平滑的接觸界面，大大降低了界面接觸熱阻，從而提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。需要注意的是，引入不同的基團(tuán)對其熱導(dǎo)率的改善效果也不盡相同，這是因?yàn)椴煌鶊F(tuán)對不同基體的結(jié)合程度不同[29]。

同樣地，對無機(jī)顆粒進(jìn)行表面接枝，在其表面引入終端基團(tuán)同樣可以起到相同的效果[30]。而用于改善界面卡皮查熱阻的方法相比改善接觸熱阻的方法較少，同時(shí)擁有高導(dǎo)熱，優(yōu)異絕緣性能的無機(jī)顆粒，聲子譜很難做到匹配。但有研究表明，氧化石墨烯（GO）擁有與氮化硼相近的振動特性，可以用來改善相鄰BNNSs顆粒間界面熱阻，從而提高界面導(dǎo)熱性能[31]。

除對高導(dǎo)熱填料進(jìn)行表面修飾提高界面相容性外。還可以通過在填料周圍包裹其他材料來提高整個(gè)復(fù)合體系的導(dǎo)熱性能。該種方法往往形成一個(gè)核殼結(jié)構(gòu)，在內(nèi)部的高導(dǎo)熱粒子特性與包裹層性質(zhì)的同時(shí)影響下，使復(fù)合材料具有更加優(yōu)異的物理化學(xué)性能。Zhou Y.等用PI包裹AlN顆粒制備具有核殼結(jié)構(gòu)的粒子，其制備過程如圖2所示，制備得到該粒子填充到環(huán)氧樹脂中，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)熱導(dǎo)率達(dá)到2.03W/(m◆K)，提高到將近10.6倍，介電損耗維持基本不變[32]，這得益于AlN的高導(dǎo)熱特性與PI對環(huán)氧樹脂的共價(jià)結(jié)合特性，使得復(fù)合材料擁有優(yōu)異的綜合性能。

圖2 PI包裹AlN顆粒制備流程示意圖

改善了銀納米線與環(huán)氧之間的界面性能[33]。在AgNWs@SiO2體積分?jǐn)?shù)僅為4%的條件下，導(dǎo)熱系數(shù)提高到1.03W/(m◆K)。更為重要的是，由于包裹層SiO2的絕緣性能，使得整個(gè)復(fù)合材料有望在電子封裝領(lǐng)域使用。圖3[33]給出了AgNWs@SiO2粒子的掃描電鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）圖。

圖3 AgNWs@SiO2的SEM照片

3 高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的提升取決于填料在基體內(nèi)形成的導(dǎo)熱通路，使得熱量可以沿著導(dǎo)熱通路快速消散。常規(guī)的填充型高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料制備時(shí)，填料的分布是隨機(jī)的，必須在高含量下（逾滲閾值）方能有明顯的熱導(dǎo)率提升，然而這對于材料機(jī)械加工、電氣絕緣及其他性能會產(chǎn)生負(fù)面影響。如果能夠在材料制備過程中，有控制地實(shí)現(xiàn)顆粒的分布及網(wǎng)絡(luò)的形成，將會大大有利于高導(dǎo)熱聚合物材料的發(fā)展與應(yīng)用。

目前，對聚合物基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有望實(shí)現(xiàn)“有目的”的構(gòu)建導(dǎo)熱通路，從而提高導(dǎo)熱效率。主要的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法可以大體分為以下五種：導(dǎo)熱顆粒的取向，混合填充法，雙逾滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及自組裝3D導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。表3列舉了典型的高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。

3.1 高導(dǎo)熱顆粒的取向

諸如BNNTs、BNNSs等一維、二維高導(dǎo)熱填料往往具有各向異性的導(dǎo)熱性能，其在某一個(gè)方向上具有較高的熱導(dǎo)率。在要求導(dǎo)熱性能具有方向性的應(yīng)用領(lǐng)域，可以通過填料的定向分布，使得在所需方向上復(fù)合材料擁有較高的熱導(dǎo)率。目前應(yīng)用于高導(dǎo)熱聚合物材料內(nèi)填料取向的方法主要有機(jī)械剪切、外加磁場及外加電場等方法。

表3 典型的聚合物基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

機(jī)械剪切法利用材料制備過程中振動剪切作用使得高導(dǎo)熱填料能沿剪切方向定向排列。一方面，這使得顆粒間容易接觸并形成導(dǎo)熱通道；另一方面，機(jī)械作用使得填料與基體可以更好的相互融合，從而整體提高復(fù)合材料沿剪切方向的熱導(dǎo)率。Kuang Z.等將BNNSs分別加入彈性體硅橡膠（SiR）與天然橡膠（NR）中，通過在雙輥機(jī)上對復(fù)合材料的振動剪切作用對BNNSs進(jìn)行取向，結(jié)果表明，經(jīng)過剪切取向的BNNSs/SiR復(fù)合材料和BNNSs/NR在相同BNNSs含量下沿剪切方向都具有較高的熱導(dǎo)率[35]。

對導(dǎo)熱顆粒進(jìn)行一定處理使得其擁有特殊的物理性質(zhì)，使得其在外施場作用下有取向性的方法同樣被廣泛研究用于聚合物基復(fù)合材料的制備中。Cho H. B.等采用化學(xué)氣相沉積法在BN粒子表面沉積氧化鐵納米粒子，然后再將其加入聚硅氧烷的過程中對其施加外磁場，誘導(dǎo)BN取向，結(jié)果發(fā)現(xiàn)平行于磁場方向的聚合物熱導(dǎo)率明顯高于其他方向，磁場取向示意圖如圖4所示[48]。

這表明，經(jīng)過處理后的BN顆粒在磁場作用下會進(jìn)行取向分布，顆粒在基體內(nèi)不再是隨機(jī)的接觸組成導(dǎo)熱通路，而是有方向性的定向排列，大大提高了導(dǎo)熱通路形成的效率，從而提升材料導(dǎo)熱性能。同樣地，可以通過外施電場的作用使得顆粒沿電場方向分布，研究表明，電場取向同樣可以提升聚合物基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率[39]。

圖4 利用磁場進(jìn)行取向的示意圖

通過對高導(dǎo)熱顆粒的取向可以使復(fù)合材料在取向方向上具有較高的熱導(dǎo)率。但是該種方法在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性：通過機(jī)械剪切作用制備復(fù)合材料時(shí)，如何保證剪切方向與設(shè)定高導(dǎo)熱的方向一致非常重要；對于外施場作用取向方法，制備過程中顆粒必須在基體中擁有一定的活動能力，即基體必須擁有流動性，因此該種方法較少應(yīng)用于聚烯烴及橡膠類等聚合物基復(fù)合材料的制備。

3.2 混合填充

將不同種類、大小、形狀的導(dǎo)熱填料混雜填充能夠充分利用各組分材料的性質(zhì)，從而得到更加優(yōu)異性能的復(fù)合材料?；旌咸畛洳粌H有利于粒子間配合形成更多的導(dǎo)熱通路，而且有望減少整體的顆粒填充量。

不同粒徑顆粒的混合填充體系利用填料不同大小尺寸的相互配合，增加導(dǎo)熱顆粒間相互接觸的幾率。Du B. X.等分別將微米、微納米混合BN填充到聚乙烯基體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)相同總體含量下混合填充較微米填充有較好的導(dǎo)熱性能，這是因?yàn)閺?fù)合材料內(nèi)微米材料可以作為導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)主結(jié)構(gòu)而納米材料填補(bǔ)微米間的空隙，從而增加導(dǎo)熱鏈的形成[49]。

不同形狀及不同類型的顆粒之間的混合填充則充分發(fā)揮了各組分的協(xié)同作用，綜合調(diào)控復(fù)合材料的各項(xiàng)性能。研究發(fā)現(xiàn)，使用體積分?jǐn)?shù)為30%的BN與1%的多壁碳納米管（MWCNT）填充環(huán)氧樹脂，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率能提高近743%[50]。Su J.等將一維BNNTs與二維BNNSs填料混合加入環(huán)氧樹脂體內(nèi)，使得該復(fù)合絕緣材料不僅具有更高的導(dǎo)熱性能，同時(shí)具有良好的電絕緣性能42]。

在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的條件下，環(huán)氧樹脂的熱導(dǎo)率就提高了將近2.5倍，這使得低含量下提高聚合物基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率成為可能。其原理可以由圖5[42]解釋，BNNSs的分布沿平面方向，使得一個(gè)方向上導(dǎo)熱性能較好，但垂直于面內(nèi)方向相互之間導(dǎo)熱連接性較差，而BNNTs的加入可以縱向上對其網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，從而提高網(wǎng)絡(luò)形成的效率，進(jìn)而提高整體材料熱導(dǎo)率。

圖5 BNNTs/BNNSs網(wǎng)絡(luò)示意圖

混合填充體系的引入，使得不同種類、大小及作用的顆粒可以協(xié)同作用，綜合提高復(fù)合材料性能。但是，如何選擇合適的混合體系需要經(jīng)過不斷的積累與嘗試，多種顆粒的混合及協(xié)同作用機(jī)理還需要進(jìn)一步的研究與探索。

3.3 雙逾滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙逾滲結(jié)構(gòu)最早應(yīng)用于導(dǎo)電材料的設(shè)計(jì)中，用來降低整體填充顆粒的含量。應(yīng)用于高導(dǎo)熱復(fù)合材料的雙逾滲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路基本與導(dǎo)電材料設(shè)計(jì)相符：將填料引入到兩種不同聚合物的共混物中，通過制備工藝使得粒子有選擇性的分布于其中一種聚合物中，從而實(shí)現(xiàn)在低含量下的高性能材料的實(shí)現(xiàn)。

Zhang D. L.等嘗試將BNNSs加入了苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）/聚丙烯（PP）共混物中制得了SEBS/PP/BNNSs三相雙逾滲納米復(fù)合材料，從而在復(fù)合材料內(nèi)構(gòu)建了導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)[43]。三相雙逾滲納米復(fù)合材料的制備流程如圖6[43]所示。BNNSs有選擇性的分布于SEBS中，而PP基體作為連續(xù)相。結(jié)果發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的直流擊穿強(qiáng)度及空間電荷抑制效果都有明顯提升。

此外，導(dǎo)熱性能由0.42W/(m◆K)提高到了1.38W/(m◆K)。類似的研究同樣發(fā)現(xiàn)，通過控制MNCNTs與碳化硅（SiC）粒子有選擇的分布于聚偏氟乙烯（PVDF）中，可以使得PVDF/PS復(fù)合材料擁有了較高的熱導(dǎo)率及電阻率[51]。

圖6 三相雙逾滲納米復(fù)合材料制備過程

得益于雙逾滲結(jié)構(gòu)的形成，高導(dǎo)熱粒子可以選擇性的分布于共混物的一相中，在提高熱導(dǎo)率的同時(shí)有效地較低了顆粒填充含量。合適的共混體系有望應(yīng)用于電子與電氣領(lǐng)域的材料制備中。

3.4 夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到微米顆粒對于導(dǎo)熱性能的貢獻(xiàn)，納米顆粒對電氣性能的提高，一種創(chuàng)新的導(dǎo)熱夾層結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)兼具高導(dǎo)熱與電氣絕緣提供了可能。最近，Wang Z.等設(shè)計(jì)了一種夾層結(jié)構(gòu)的環(huán)氧復(fù)合材料，將體積分?jǐn)?shù)為3%的納米氧化鋁填充的環(huán)氧夾在兩層微米（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%）填充環(huán)氧樹脂中間，制得的復(fù)合材料擁有良好的導(dǎo)熱性能及電氣性能[45]。

其原理主要是，微米填充層提高材料的熱導(dǎo)率而納米層用來提高材料的電氣絕緣強(qiáng)度。其材料結(jié)構(gòu)示意圖及SEM照片如圖7[45]所示。該結(jié)構(gòu)在一定程度上有利于聚合物復(fù)合電介質(zhì)導(dǎo)熱性能的提高，但結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，如微米層厚度的選擇等，還需要進(jìn)一步的研究。

圖7 夾層結(jié)構(gòu)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料

此外，在夾層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，微米層與納米層之間不可避免地會引入界面，熱流從一側(cè)微米層如何有效經(jīng)過導(dǎo)熱效率較低的納米層傳導(dǎo)到另一側(cè)微米層，其微觀導(dǎo)熱機(jī)理還需要進(jìn)一步研究。

3.5 自組裝3D導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

聚合物基復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的提高關(guān)鍵在于材料內(nèi)部導(dǎo)熱通路及網(wǎng)絡(luò)的形成。通過制備過程中外力及場作用的顆粒取向，混合填充的協(xié)同作用，甚至雙逾滲結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)往往還是無法實(shí)現(xiàn)高效率的“人為控制”導(dǎo)熱通道形成。為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)材料各個(gè)方向上導(dǎo)熱性能的提高及填充含量的降低，可以在材料制備前對導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行構(gòu)建，將導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)及聚合物基體進(jìn)行組裝從而實(shí)現(xiàn)整體材料導(dǎo)熱性能的提高。

Zeng X.等采用了一種Ice-Templated的組裝方法在環(huán)氧樹脂基體內(nèi)形成了3D-BNNSs網(wǎng)絡(luò)來提升整體復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能[46]。該方法首先利用各向異性的冰凍成型法形成3D-BNNSs氣凝膠，然后對其進(jìn)行環(huán)氧浸漬成型。SEM照片顯示復(fù)合材料內(nèi)部形成規(guī)則的樹形或蜂窩狀分層結(jié)構(gòu)，表明材料內(nèi)部已經(jīng)形成了導(dǎo)熱通路，BNNSs網(wǎng)絡(luò)間更小的界面熱阻提高了傳熱效率。測量結(jié)果顯示，在BNNSs體積分?jǐn)?shù)不超過10%的情況下，熱導(dǎo)率就可以提高近14倍。與此同時(shí)，材料具有較低的熱膨脹系數(shù)和提高的玻璃化轉(zhuǎn)換溫度。

同樣地，采用溶膠凝膠法及冰凍成型法制備的以纖維為骨架，BNNSs為導(dǎo)熱填料的3D-BNNSs氣凝膠，在用環(huán)氧樹脂澆注固化后的復(fù)合材料具有超高的導(dǎo)熱性能[47]。在BNNSs體積分?jǐn)?shù)僅為9.6%時(shí),熱導(dǎo)率可以達(dá)到3.13W/(m◆K)。此外，復(fù)合體系還具有良好的絕緣性能，這對于高導(dǎo)熱聚合物材料在電子、電力領(lǐng)域來說是非常重要的。

自組裝高導(dǎo)熱復(fù)合材料的制備可以實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)及構(gòu)建，是提高材料導(dǎo)熱性能的一種有效的方法，但目前該種方法制備過程復(fù)雜，難度較大，簡便的制備方法還需進(jìn)一步探索。

4 高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合電介質(zhì)電氣性能研究現(xiàn)狀

目前，針對高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料的研究大多集中在材料和化學(xué)領(lǐng)域。然而應(yīng)用于電子封裝、電氣設(shè)備領(lǐng)域的聚合物復(fù)合電介質(zhì)首先需要保證的是良好的電氣絕緣性能。為此應(yīng)用于該領(lǐng)域的高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料的電學(xué)性能也受到了越來越多的關(guān)注。

傳統(tǒng)高導(dǎo)熱填料的引入往往對聚合物材料本身的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。填料與基體間一般具有不同的物理化學(xué)性質(zhì)，使得復(fù)合材料具有與基體不同的電氣性能。無機(jī)填料一般有高于聚合物的介電常數(shù)及低于聚合物的電阻率，這將導(dǎo)致應(yīng)用于電子與電氣領(lǐng)域的復(fù)合材料內(nèi)部場強(qiáng)分布的不均勻及介電強(qiáng)度的改變。此外，大量的無機(jī)顆粒的引入（尤其是微米顆粒的引入）可能會帶來微觀結(jié)構(gòu)上的缺陷。這都是未來高導(dǎo)熱聚合物基復(fù)合材料制備研究需要考慮的。

值得注意的是，近年發(fā)展迅速的聚合物基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)似乎可以有效解決上述矛盾。Su J.等采用BNNTs與BNNSs混合填充的高導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂復(fù)合材料電阻率有明顯的提升如圖8所示[42]。文獻(xiàn)[43]中制備的三相雙逾滲納米復(fù)合材料直流擊穿強(qiáng)度及空間電荷抑制效果都有明顯提升，成功地解決了高導(dǎo)熱與高電絕緣性能材料的制備。

同樣地，夾層結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂在外層微米質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%和內(nèi)層納米質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的情況下，電氣擊穿強(qiáng)度較純環(huán)氧樹脂提高了6.3%[45]。越來越多的研究結(jié)果表明，兼具高導(dǎo)熱及優(yōu)異絕緣性能的聚合物復(fù)合電介質(zhì)的制備可以通過設(shè)計(jì)其微觀結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，這也為今后的研究方向提供了思路。

圖8 BNNTs/BNNSs/環(huán)氧復(fù)合體系電阻率變化

此外，考慮到固體絕緣材料在經(jīng)受表面放電時(shí)會產(chǎn)生大量的熱，熱量的積累會加速材料老化、破壞，而高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合電介質(zhì)的制備有望增強(qiáng)絕緣材料的耐電痕特性。Du B. X.等對此進(jìn)行了一系列的深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聚合物材料導(dǎo)熱性能的提高有利于材料表面散熱，提高了材料的耐電痕破壞能力[52-54]。

結(jié)論

本文從高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合電介質(zhì)的微觀傳熱機(jī)理入手，對復(fù)合電介質(zhì)基體、填充顆粒及影響因素展開綜述，著重介紹了高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合電介質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最后，對其電氣性能研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)。

聚合物材料的熱傳導(dǎo)主要是通過聲子進(jìn)行，而聚合物材料的微觀無序則會造成聲子散射而導(dǎo)致其具有較低熱導(dǎo)率。引入高導(dǎo)熱無機(jī)顆粒可以有效提高聚合物材料的熱導(dǎo)率，復(fù)合體系的導(dǎo)熱性能不僅與材料基體結(jié)構(gòu)有關(guān)，還受到填料類型、大小、形狀、填充含量、在基體內(nèi)的空間分布及界面特性等因素的影響。

聚合物基復(fù)合體系熱導(dǎo)率的提升主要是在材料內(nèi)部構(gòu)建高效的熱傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，因此，通過對復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)材料導(dǎo)熱性能的顯著提高，與此同時(shí)，對復(fù)合體系電氣性能的研究發(fā)現(xiàn)，良好的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會提高聚合物復(fù)合電介質(zhì)的電氣絕緣性能。

雖然目前的研究已經(jīng)取得了重大突破，但仍面臨一些重要的挑戰(zhàn)與難題，這也將成為未來聚合物復(fù)合材料研究的發(fā)展趨勢：

1）高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合材料的實(shí)現(xiàn)依舊是憑借較高含量的粒子填充來實(shí)現(xiàn)。高導(dǎo)熱填料及復(fù)合材料制備的高昂價(jià)格限制了高導(dǎo)熱聚合物復(fù)合電介質(zhì)的推廣應(yīng)用，如何實(shí)現(xiàn)低填充含量下，兼具高導(dǎo)熱、優(yōu)異絕緣性能的材料仍需要進(jìn)一步研究。

2）對復(fù)合體系的性能研究目前還主要局限于熱導(dǎo)率及基礎(chǔ)電氣參數(shù)的測量，應(yīng)用于電氣領(lǐng)域的聚合物材料還需經(jīng)受復(fù)雜的電磁熱機(jī)運(yùn)行條件。因此，依據(jù)具體應(yīng)用場合對材料綜合性能進(jìn)行評估可以為材料進(jìn)一步實(shí)際應(yīng)用提供可能。

3）聚合物基復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目前還停留在實(shí)驗(yàn)室制備階段，材料的合成過程復(fù)雜，成本較高，如何實(shí)現(xiàn)簡便大量的制備是當(dāng)下面臨的重大挑戰(zhàn)；而且，針對不同的聚合物材料，采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法也不盡相同，根據(jù)聚合物基體性質(zhì)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)是必要發(fā)展趨勢。

4）其他創(chuàng)新的新材料制備方法還需進(jìn)一步探索。